close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

2568.СОВРЕМЕННЫЕ МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Г.В. Тараканов
СОВРЕМЕННЫЕ МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА
Учебное пособие
АСТРАХАНЬ
ИЗДАТЕЛЬСТВО АГТУ
2010
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 665.7
ББК 35.514
Т 19
Р е ц е н з е н т ы : кандидат технических наук Нурахмедова А.Ф. (Инженернотехнический центр ООО «Газпром добыча Астрахань»);
доктор технических наук Саушин А.З. (Астраханский государственный технический университет);
кандидат технических наук Савенкова И.В. (Астраханский
государственный технический университет);
кафедра технологии переработки нефти и промышленной
экологии Северо-Кавказского государственного технического
университета
Допущено редакционно-издательским советом Астраханского государственного
технического университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению 240400.62 «Химическая технология
органических веществ и топлив» и специальности 240403.65 «Химическая технология
природных энергоносителей и углеродных материалов»
Тараканов, Г.В.
Т 19
Современные моторные топлива: учеб. пособие / Г.В. Тараканов;
Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2010. – 164 c.
ISBN 978-5-89154-344-7
Освещены современные требования, предъявляемые к моторным топливам,
применяемым в различных двигателях внутреннего сгорания. Изложены основные принципы устройства и работы двигателей внутреннего сгорания, сформулированы требования к топливам для них, включая экологические, рассмотрены
химмотологические вопросы применения этих топлив. Описаны базовые компоненты и присадки, применяемые при производстве моторных топлив.
Для студентов технологических специальностей нефтегазовых и химикотехнологических факультетов и вузов; может быть использовано инженернотехническими и научными работниками научно-исследовательских и проектных
организаций и промышленных предприятий, связанных с производством, реализацией и применением углеводородных топлив.
УДК 665.7
ББК 35.514
ISBN 978-5-89154-344-7
2
© Г.В. Тараканов, 2010
© Астраханский государственный
технический университет, 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Условные сокращения и обозначения ...................................................................................5
Введение .......................................................................................................................................6
Глава 1. Классификация и принципы работы двигателей внутреннего сгорания.......8
1.1. Двигатели с периодическим сгоранием топлива........................................................................9
1.1.1. Двигатели с принудительным воспламенением ................................................................9
1.1.2. Двигатели с самовоспламенением топлива ......................................................................16
1.2. Двигатели с непрерывным сгоранием топлива ........................................................................19
1.2.1. Жидкостные ракетные двигатели ............................................................................................20
1.2.2. Воздушно-реактивные двигатели ............................................................................................21
1.2.3. Газотурбинные двигатели .........................................................................................................25
Глава 2. Автомобильные и авиационные бензины ...........................................................29
2.1. Общие требования к бензинам ....................................................................................................30
2.1.1. Требования, связанные с работой двигателя....................................................................30
2.1.2. Эксплуатационные требования...........................................................................................31
2.1.3. Требования производства ....................................................................................................32
2.1.4. Экологические требования ..................................................................................................32
2.2. Основные нормируемые показатели качества бензинов ........................................................35
2.3. Компонентный состав бензинов..................................................................................................47
2.3.1. Базовые компоненты.............................................................................................................48
2.3.2. Высокооктановые компоненты...........................................................................................50
2.3.3. Присадки .................................................................................................................................53
2.4. Современные ассортимент и марки бензинов ..........................................................................61
Глава 3. Топлива для воздушно-реактивных двигателей................................................73
3.1. Общие требования к реактивным топливам .............................................................................73
3.1.1. Требования, связанные с работой двигателя....................................................................74
3.1.2. Эксплуатационные требования...........................................................................................74
3.1.3. Требования производства ....................................................................................................75
3.1.4. Экологические требования ..................................................................................................76
3.2. Основные нормируемые показатели качества реактивных топлив......................................78
3.3. Компонентный состав реактивных топлив ...............................................................................88
3.3.1. Присадки .................................................................................................................................89
3.4. Ассортимент и марки реактивных топлив.................................................................................91
Глава 4. Краткие сведения о ракетных реактивных топливах.......................................98
Глава 5. Дизельные топлива ................................................................................................102
5.1. Общие требования к дизельным топливам .............................................................................103
5.1.1. Требования, связанные с работой дизельного двигателя.............................................103
5.1.2. Эксплуатационные требования.........................................................................................104
5.1.3. Требования производства ..................................................................................................104
5.1.4. Экологические требования ................................................................................................105
5.2. Основные нормируемые показатели качества дизельных топлив.....................................107
5.3. Компонентный состав .................................................................................................................117
5.3.1. Базовые компоненты...........................................................................................................117
5.3.2. Присадки ...............................................................................................................................118
5.4. Ассортимент и марки современных дизельных топлив........................................................120
Глава 6. Тяжелые моторные и судовые топлива .............................................................126
6.1. Общие требования к тяжелым моторным и судовым топливам ........................................126
6.1.1. Требования, связанные с работой судового двигателя.................................................127
6.1.2. Эксплуатационные требования.........................................................................................127
6.1.3. Требования производства ..................................................................................................128
6.1.4. Экологические требования ................................................................................................128
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2. Основные нормируемые показатели качестватяжелых моторных и судовых топлив ...129
6.3. Компонентный состав.................................................................................................................132
6.3.1. Базовые компоненты ..........................................................................................................133
6.3.2. Присадки............................................................................................................................... 134
6.4. Ассортимент и марки топлив...............................................................................................134
Глава 7. Газотурбинные топлива ....................................................................................... 142
7.1. Общие требования к топливам для газовых турбин .............................................................142
7.1.1. Требования, связанные с работой газовой турбины..................................................... 142
7.1.2. Эксплуатационные требования ........................................................................................143
7.1.3. Требования производства..................................................................................................144
7.1.4. Экологические требования................................................................................................144
7.2. Основные нормируемые показатели качества газотурбинных топлив .............................145
7.3. Компонентный состав.................................................................................................................150
7.3.1. Базовые компоненты ..........................................................................................................150
7.3.2. Присадки............................................................................................................................... 151
7.4. Ассортимент и марки газотурбинных топлив.......................................................................152
Глава 8. Углеводородные газы как моторные топлива................................................. 154
8.1. Общие требования к газовым моторным топливам ..............................................................155
8.1.1. Требования, связанные с работой двигателя..................................................................155
8.1.2. Эксплуатационные требования ........................................................................................157
8.1.3. Требования производства..................................................................................................157
8.1.4. Экологические требования................................................................................................158
8.2. Основные нормируемые показатели качества газовых топлив ..........................................158
8.3. Компонентный состав газовых топлив....................................................................................159
8.4. Ассортимент и марки современных газомоторных топлив.................................................160
Заключение ............................................................................................................................. 162
Библиографический список................................................................................................. 163
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВКЩ – водорастворимые кислоты и щелочи
ВРД – воздушно-реактивный двигатель
ГПЗ – газоперерабатывающий завод
ГТУ – газотурбинная установка
ДВС – двигатель внутреннего сгорания
ДИБ-ПКЖ – комплекс диизобутилена и пентакарбонилжелеза
ДНП – давление насыщенных паров
ЕЭС – Европейское экономическое сообщество
ЖРД – жидкостной ракетный двигатель
ИИ – индекс испаряемости
ИПП – максимальный индекс паровой пробки
КПГ – компримированный природный газ
МТБЭ – метил-трет-бутиловый эфир
МЦТМ – метилциклопентадиенилтрикарбонилмарганец
ПАВ – поверхностно-активные вещества
ПКЖ – пентакарбонилжелезо
ПОДФА – п-оксидифениламин
СНГ – сжиженный нефтяной газ
СПГ – сжиженный природный газ
ТКВРД – турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель
ТМС – тетраметилсвинец
ТЭС – тетраэтилсвинец
ЦТМ – циклопентадиенилтрикарбонилмарганец
ЦИ – цетановый (дизельный) индекс
ЦЧ – цетановое число
УРТ – удельный расход топлива, г/(кВт·ч)
УОЗ – угол опережения зажигания, град.
% мас. – массовые проценты
% об. – объемные проценты
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Последние 30–35 лет характеризуются непрерывным ростом потребления первичных энергоресурсов в мире. Так, с 1973 по 2004 год этот показатель увеличился в 1,83 раза – с 6 035 до 11 059 млн т (в нефтяном эквиваленте).
Мировая структура этого потребления за те же годы претерпела большие
изменения: доля нефти снизилась с 45,0 до 34,3 %, в то время как доля
атомной энергии увеличилась с 0,9 до 6,5 %, а доля газа – с 16,2 до 20,9 %.
По-прежнему основными первичными энергоресурсами остаются нефть,
уголь и газ, на долю которых в 2004 году приходилось 80 % всех первичных
энергоресурсов в мире.
С 1973 по 2005 год в мире в 1,4 раза увеличилось производство нефти –
с 2 867 до 3 923 млн т, причем на долю 10 стран – основных ее производителей –
в 2005 году приходилось 62,3 % мирового производства. Россия по объему добычи нефти занимает второе место в мире после Саудовской Аравии (470 млн т,
или 12,0 % мировой добычи). Главный потребитель нефти в мире – США – 26 %
в общемировом объеме импорта нефти (данные 2004 года).
Основными продуктами, получаемыми из нефти, остаются и будут оставаться в перспективе на 25–50 лет моторные топлива для двигателей внутреннего сгорания, при этом не произойдет кардинальной смены основного
типа двигателя внутреннего сгорания: к 2030 году бензиновые и дизельные
двигатели будут составлять 84 % от общего объема двигателей; двигатели,
работающие на природном газе, – 8 %, а гибридные двигатели и двигатели с
использованием топливных элементов – по 4 % от общего объема двигателей.
В 2006 году суммарные объемы собственного производства нефтяных
моторных топлив составляли, млн т: в России – 102,2, в США – 607, в Западной
Европе – 587. В России больше всего производится дизельного топлива –
60,1 млн т/год, в США – автомобильных бензинов (380 млн т/год), а в Западной
Европе – реактивного топлива (325 млн т/год).
По мере развития моторостроения, увеличения объема выпуска и совершенствования двигателей внутреннего сгорания ужесточаются и требования к эксплуатационным и экологическим показателям качества моторных
топлив, применяемых в этих двигателях.
В двигателях внутреннего сгорания различных типов используются соответствующие моторные топлива: автомобильные и авиационные бензины, дизельные топлива для быстроходных дизелей, реактивные и ракетные топлива,
газотурбинные топлива, тяжелые моторные и судовые топлива для тихоходных
дизелей, а также сжатый (компримированный) природный газ и сжиженные
природные и нефтяные газы. В качестве ракетного топлива для мощных ракетных носителей некоторых типов используется жидкий водород; проводятся
испытания по его применению на автомобильной и авиационной технике.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Данное учебное пособие посвящено вопросам принципиального устройства и работы наиболее распространенных двигателей внутреннего сгорания и применения в них соответствующих моторных топлив, произведенных из нефтяного и газового сырья. Сформулированы требования к моторным топливам, предъявляемые конструкторами двигателей, специалистами, занимающимися транспортировкой и хранением топлив, их производителями и экологами. Рассмотрены вопросы компаундирования топлив
из базовых и других компонентов, химмотологии и влияния установленных
показателей качества и составов топлив на их эксплуатационные, экологические и другие характеристики. Приведены современные ассортименты и
марки различных моторных топлив.
Усвоение студентами материала учебного пособия позволит поднять
уровень их подготовки по вопросам производства и применения моторных топлив до требований современности и сформировать представления о перспективах и направлениях повышения качества существующих и разработки новых,
экологически чистых видов топлив для двигателей внутреннего сгорания.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 1
КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Тепловые двигатели, широко применяемые в настоящее время в различных сферах деятельности человека, используют теплоту сгорания различных видов топлив (от дров и углей до самого современного – водорода)
и преобразуют ее в механическую энергию. Они подразделяются на двигатели с внешним сгоранием (паровые машины и паровые турбины) и двигатели
внутреннего сгорания.
В двигателях с внешним сгоранием топливо сжигают в специальных топках, а выделяющееся при этом тепло используют для обогрева котлов, в которых
генерируют водяной пар – рабочее тело паровых машин и паровых турбин.
В настоящее время для генерации водяного пара и привода паровых турбин на
электростанциях, надводных и подводных кораблях и судах и других объектах
достаточно широко применяют также ядерные энергетические установки.
В двигателях внутреннего сгорания (ДВС), которые получили наибольшее
распространение, основные процессы – сжигание топлива и выделение теплоты
с преобразованием ее в механическую работу – происходят непосредственно в
двигателе. Эти двигатели используют в качестве силовых установок во всех видах транспорта (автомобильном, железнодорожном, водном и воздушном),
а также как источник механической энергии в различных отраслях промышленности, сельскохозяйственном производстве, строительстве.
Классификация двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания
Различают двигатели внутреннего сгорания с периодическим сгоранием топлива, называемые также поршневыми двигателями, и двигатели с непрерывным сгоранием топлива, к которым относятся реактивные двигатели
и газовые турбины.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1. Двигатели с периодическим сгоранием топлива
Наиболее распространенные в мире двигатели с периодическим сгоранием топлива иначе называют поршневыми двигателями. Они будут оставаться
основным типом двигателей и в ближайшей перспективе (до 2030 года).
Спецификой работы поршневого двигателя являются цикличность и обусловленная ею периодичность процесса сгорания топлива и преобразования
тепловой энергии в механическую. Поршневые ДВС подразделяют на двигатели с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси от электрической искры (первый четырехтактный двигатель был создан немецким техником Н. Отто в 1876 году) и на дизельные двигатели с самовоспламенением топлива в сжатом воздухе (названы по имени изобретателя – немецкого механика
Р. Дизеля, создавшего первый образец этого двигателя в 1892 году).
Для отвода избыточного тепла сгорания топлива все ДВС оборудуются
системой охлаждения: жидкостной (цилиндр снаружи омывается охлаждающей жидкостью) или воздушной (цилиндр снаружи оребрен и принудительно омывается потоком воздуха).
1.1.1. Двигатели с принудительным воспламенением
Схема простейшего одноцилиндрового двигателя с принудительным
воспламенением топливовоздушной смеси приведена на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Схема простейшего одноцилиндрового двигателя с принудительным
воспламенением топливовоздушной смеси: 1 – картер; 2 – цилиндр;
3 – головка цилиндра; 4 – поршень; 5 – шатун; 6 – коленчатый вал; 7 – впускной клапан;
8 – выпускной клапан; 9 – свеча зажигания
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Этот двигатель состоит из следующих основных частей: картера 1,
цилиндра 2, головки цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6,
впускного 7 и выпускного 8 клапанов и электрической свечи зажигания 9.
Пространство, ограниченное стенками цилиндра, его головкой и поршнем, называется камерой сгорания. Коленчатый вал предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня, которое передается
на этот вал шатуном, во вращательное.
Топливом для этого типа двигателей являются чаще бензины (жидкие
нефтяные или газоконденсатные фракции, выкипающие в интервале температур от 30–35 до 180–215 оС), реже – сжатые и сжиженные углеводородные газы
от метана до бутанов. В настоящее время за рубежом начато производство
небольшими сериями автомобилей, в двигателях которых в качестве топлива
используется водород из газовых баллонов, криогенных баков или топливных
элементов, а также начинают применяться гибридные двигатели с выработкой
электроэнергии для привода колес автомобиля. К 2030 году прогнозируется использование природного газа на 8 % ДВС (вместе с дизельными двигателями),
топливных элементов – на 4 %, гибридных двигателей – также на 4 %.
В России в качестве топлива на двигателях с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси в небольших количествах применяются
бензанолы, представляющие собой смесь бензина и этанола. Содержание
этанола в них составляет 5,0–10,0 % об.
ДВС с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси
разделяются на карбюраторные двигатели и двигатели с непосредственным
впрыском топлива в цилиндры.
Среди двигателей с принудительным воспламенением имеются также
двигатели Стирлинга, работающие на водороде; двигатели с послойным сжиганием топлива, к.п.д. которых выше на 15–20 % и в которых используется топливо более широкого фракционного состава (30–260 оС); роторно-поршневой
двигатель Ванкеля, имеющий очень низкую вибрацию и меньшие в 2–3 раза
габариты. Однако эти двигатели широкого распространения не получили.
Карбюраторные двигатели. Основной отличительный признак карбюраторных двигателей – это образование топливовоздушной смеси вне цилиндра
двигателя, ее сжатие в цилиндре и принудительное зажигание от электрической
искры. Для образования топливовоздушной смеси вне цилиндра двигателя используется специальное устройство – карбюратор, в котором в поток засасываемого в цилиндр воздуха при возникающем при этом разряжении через специальные дозаторы (жиклеры) подсасывается определенная порция бензина.
По пути в цилиндр во всасывающем трубопроводе (или коллекторе) этот бензин испаряется, образуя с воздухом топливовоздушную смесь. Жиклеры позволяют обогащать или обеднять топливовоздушную смесь. При богатой смеси
коэффициент избытка воздуха в ней по сравнению с теоретически необходимым количеством для полного сгорания топлива составляет 0,6–0,8; при бедной смеси этот коэффициент достигает значений 0,9–1,1. Таким образом, при
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
работе двигателя на богатой топливовоздушной смеси (режим форсированной
работы) воздуха для сгорания топлива не хватает и вредные выбросы продуктов неполного сгорания топлива в атмосферу увеличиваются.
Для повышения эффективности работы карбюратора и двигателя в целом с 1980-х годов начали применяться система электронного управления
центральным впрыском топлива через общую форсунку в зоне смесительной
камеры карбюратора и система электронного управления карбюратором.
Более подробное описание работы системы электронного управления центральным впрыском топлива приведено ниже при рассмотрении поршневых
ДВС с непосредственным впрыском топлива.
При использовании в качестве топлива сжиженного углеводородного газа он подается из топливных газовых баллонов в двухступенчатый редуктор
для снижения его давления и испарения и далее – в карбюратор. Редуктор должен обеспечивать автоматическое снижение и поддержание давления газа на
всех режимах работы двигателя, включая подачу газа в режимах холостого хода и запуска. Первая ступень редуктора осуществляет редуцирование газа до
давления 0,03–0,04 МПа и его поддержание. Вторая ступень редуктора настраивается на выходное давление 0 ± 40 Па с помощью регулировочного винта.
Если в качестве топлива применяется сжатый (компримированный) газ,
то он перед двухступенчатым редуктором проходит одноступенчатый редуктор
для снижения давления с 20 МПа (давление в газовых баллонах) до 1,2 МПа.
Во избежание образования гидратов при снижении давления газа редукторы
подогреваются выхлопными газами двигателя или горячей жидкостью из системы охлаждения двигателя. Как правило на двигателях, использующих газовое топливо, сохраняется и обычная бензиновая топливная система.
Цикл работы наиболее распространенного карбюраторного ДВС состоит из четырех тактов (см. рис. 1.2):
1. Всасывание (принудительный такт) – поршень 4 идет вниз, впускной
клапан 7 открыт, выпускной клапан 8 закрыт, топливовоздушная смесь заполняет цилиндр 2.
2. Сжатие (принудительный такт) – поршень 4 идет вверх, впускной 7
и выпускной 8 клапаны закрыты, топливовоздушная смесь сжимается, при
достижении поршнем максимального верхнего положения (верхней мертвой
точки) топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи зажигания 9.
3. Рабочий ход поршня (рабочий такт) – за счет сгорания топливовоздушной смеси и повышенного давления образовавшихся продуктов сгорания
поршень 4 идет вниз, впускной 7 и выпускной 8 клапаны закрыты. Рабочий
ход продолжается до момента достижения поршнем максимального нижнего
положения (нижней мертвой точки).
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Выпуск (принудительный такт) – поршень 4 идет вверх, впускной
клапан 7 закрыт, выпускной клапан 8 открыт, продукты сгорания топливовоздушной смеси покидают цилиндр 2.
После этого цикл повторяется.
За четыре движения поршня в цилиндре двигателя или за два оборота
коленчатого вала только один ход поршня является рабочим тактом, который совершается за счет расширения газов, а остальные три такта – за счет
инерции маховика, закрепленного на коленчатом валу.
Для поддержания равномерной работы двигателя он имеет несколько
цилиндров, поршни которых через соответствующие шатуны приводят во
вращение один коленчатый вал. Сгорание и расширение газов в каждом из
цилиндров происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.
Кроме четырехтактных карбюраторных двигателей, применяются, хотя и
значительно реже, двухтактные двигатели, в которых весь цикл протекает за
один оборот коленчатого вала. В конце рабочего хода поршня открывается выпускное окно, куда выводятся отработанные газы, а затем открывается впускное
окно (или впускной клапан), через которое в цилиндр поступает топливовоздушная смесь. Поршень доходит до нижней мертвой точки и начинает возвращаться к верхней мертвой точке, перекрывает впускные и выпускные окна, и топливовоздушная смесь сжимается. Перед подходом поршня к верхней мертвой
точке в камеру сгорания подается электрическая искра, топливовоздушная смесь
загорается, и вновь начинается рабочий ход поршня. Такие двигатели обычно
применяются на моторных лодках, мотоблоках, бензопилах, некоторых моделях
мотоциклов и мотороллеров и других малогабаритных агрегатах.
Двигатели с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси характеризуются следующими важными параметрами работы: степенью
сжатия, углом опережения зажигания, удельным расходом топлива и литровой мощностью.
Степень сжатия – это отношение объема цилиндра, когда поршень
находится в нижней мертвой точке, к объему цилиндра, когда поршень находится в верхней мертвой точке. Степень сжатия современных двигателей
колеблется от 4 до 10, причем чем она выше, тем экономичней и мощней
двигатель. Однако степень сжатия в карбюраторном двигателе
не может превышать значения 10, т. к. при более высоком адиабатическом
сжатии температура топливовоздушной смеси превысит порог ее самовоспламенения, а это в двигателях такого типа недопустимо.
Угол опережения зажигания (УОЗ) – это угол поворота коленчатого
вала от момента подачи искры в цилиндр до того момента, когда поршень
достигнет верхней мертвой точки. В зависимости от качества топливовоздушной смеси этот угол составляет от 10 до 20о и регулируется специальными устройствами на блоке зажигания.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Удельный расход топлива (УРТ) – это расход топлива в единицу времени на единицу мощности двигателя. В карбюраторных ДВС УРТ составляет 250–400 г/(кВт·ч) (наиболее типичный – 320 г/(кВт·ч)).
Литровая мощность – это мощность, приходящаяся на единицу объема цилиндров. В карбюраторных ДВС она составляет 35 кВт/л и выше.
Карбюраторные двигатели имеют ряд существенных недостатков:
– высокий УРТ;
– неудовлетворительное регулирование состава топливовоздушной
смеси в зависимости от режима работы ДВС;
– неполное сгорание топлива и выброс больших количеств оксида углерода и углеводородов в атмосферу;
– невозможность увеличения степени сжатия выше значения 10 и повышения за счет этого экономичности двигателя.
Двигатели с непосредственным впрыском топлива. С 80-х годов
XX века все большее распространение получают двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры раздельно от воздуха в тактах впуска
или сжатия через форсунки, установленные у впускных клапанов и (или) непосредственно в каждом цилиндре в камере сгорания. Имеются также двигатели с впрыском топлива через центральную форсунку, установленную в
зоне смесительной камеры карбюратора. Форсунки позволяют распылить
топливо до мелкодисперсного состояния, а это приводит к его хорошему
смешению с воздухом и, как следствие, к быстрому и полному испарению.
В этих двигателях, также называемых инжекторными, обеспечиваются более
равномерное распределение топлива по каждому цилиндру и более точное
соотношение «топливо–воздух», в результате чего они обладают рядом преимуществ по сравнению с карбюраторными по топливной экономичности,
динамичности, токсичности выхлопных газов. Непосредственный впрыск бензина с помощью форсунок используется во всех современных автомобильных
и авиационных двигателях, в том числе и отечественных.
Управление впрыском топлива в инжекторных двигателях осуществляется электронной системой, основными преимуществами использования
которой являются:
– отсутствие качественной и количественной неравномерностей распределения топлива по цилиндрам двигателя;
– улучшение показателей работы двигателя по топливной экономичности (особенно на нестационарных режимах и при максимальных скоростях);
– увеличение коэффициента наполнения и литровой мощности двигателя до 10 % вследствие снижения гидравлических сопротивлений во впускной системе;
– снижение токсичности выхлопных газов.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Существуют различные электронные системы управления впрыском
топлива, разработанные как за рубежом, так и в России. Все они программируются на максимальную экономию топлива при всех режимах работы двигателя, а при полной нагрузке работает программа наивысших динамических
показателей с учетом токсичности выхлопных газов.
Электронные системы управления впрыском топлива состоят из датчиков, преобразующих информацию о расходе воздуха, давлении, температуре, положении дроссельной заслонки и другие данные о состоянии двигателя в электрический сигнал. Все сигналы с датчиков поступают в блок
синтеза информации (БСИ), где они преобразуются в командный импульс
определенной длительности. Управление впрыском топлива осуществляется
путем изменения длительности электрического импульса, посылаемого в электромагниты форсунок. Электронные системы содержат блок электроснабжения
со стабилизаторами и защитой от резких изменений бортового напряжения
автомобиля, которые могут вызвать повреждения электронных устройств.
На автомобилях эксплуатируется несколько различных видов электронных систем управления впрыском топлива.
По одной из этих систем топливо из бака через топливоприемник подается насосом к форсункам. На коллекторе подачи топлива установлен мембранный стабилизатор давления, поддерживающий постоянное давление топлива
независимо от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. Коллектор обеспечивает циркуляцию топлива по схеме «бак–насос–бак» и его равномерную подачу под постоянным давлением к форсункам-дозаторам.
В системе фирмы Брико топливо из бака мембранным топливным насосом подается в специальную камеру постоянного уровня. Эта камера имеет
обычный для карбюраторов поплавковый механизм и фильтр-отстойник.
Из камеры топливо подается насосом в кольцевую магистраль с четырьмя форсунками с электромагнитным управлением и специальным стабилизатором
давления. Принцип стабилизации давления топлива основан на перепуске части топлива обратно в камеру постоянного уровня. Циркуляция топлива предупреждает образование паровоздушных пробок (давление топлива составляет
0,18 МПа). Основным командным параметром (главным датчиком) в этой
системе является абсолютное давление во впускном трубопроводе двигателя.
Широко применяется автоматическая система впрыскивания с программным управлением фирмы Бош. По этой системе топливо циркуляционным насосом подается из бака в кольцо с постоянным перепадом давления.
Для обеспечения пуска двигателя при низких температурах имеется дополнительная пусковая форсунка, автоматически подающая топливо во впускной трубопровод при пуске холодного двигателя. Чем ниже температура
охлаждающей двигатель жидкости, тем дольше работает форсунка.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Имеется также система впрыскивания топлива с электронным управлением фирмы Лукас, в которой вся информация о требуемой дозе топлива
при каждом режиме работы ДВС хранится в отдельных ячейках запоминающего устройства. Датчик абсолютного давления во впускном трубопроводе
отсутствует. Выбор для работы в данный момент времени конкретных ячеек
запоминающего устройства определяется двумя параметрами режима работы двигателя: частотой вращения коленчатого вала и положением дроссельной заслонки.
В системе центрального впрыскивания с электронным управлением
топливо подается не в зону впускного клапана, а в смесительную камеру.
Разделение функций дозирования топлива и его смешения с воздухом позволяет интенсифицировать распыление топлива и создает условия для улучшения смесеобразования с помощью ультразвука, пленочного испарения и других методов. Эти системы оборудуются датчиком частоты вращения коленчатого вала, информация которого после обработки его в микропроцессоре
воздействует на расход воздуха через дроссельную заслонку. Такие системы
позволяют обеспечивать оптимальный состав топливовоздушной смеси на
режимах пуска и прогрева, на холостом ходу, при ускорении и замедлении
открытия дроссельной заслонки.
Во всех системах перед форсунками поддерживается постоянное давление (0,3 МПа).
Практически все системы с электронным управлением смесеобразованием оборудуются датчиком кислорода (λ-зонд), позволяющим поддерживать
стехиометрический состав топливовоздушной смеси (α = 1,0), необходимый
для нормальной работы нейтрализатора токсичности выхлопных газов.
Все это вместе, как уже отмечалось, позволяет инжекторным двигателям по сравнению с карбюраторными увеличить полноту сгорания топлива,
экономичность и снизить токсичность отработанных (выхлопных) газов.
В остальном эти двигатели не отличаются от карбюраторных и имеют
аналогичные устройство, схему работы, четырехтактный цикл, топливо (бензин или углеводородный газ) и параметры работы.
Удельный расход топлива в инжекторных двигателях составляет
200–300 г/(кВт·ч) и менее. Литровая мощность достигает 40–50 кВт/л и выше.
При использовании газового топлива вместо бензина в этих двигателях
оно из мембранных редукторов высокого давления поступает в форсунки (электромеханические дозаторы), подающие к впускным клапанам двигателя газ в
количестве, строго соответствующем режиму работы, который определяется
с помощью 5–10 датчиков. Возможна непосредственная подача газа в цилиндр
двигателя с помощью газовых форсунок, управляемых микропроцессором.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.1.2. Двигатели с самовоспламенением топлива
Схема простейшего одноцилиндрового двигателя с самовоспламенением топлива (или дизельного двигателя) приведена на рис. 1.3.
Этот двигатель состоит из следующих основных частей: картера 1, цилиндра 2, головки цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6, впускного 7 и выпускного 8 клапанов и форсунки для впрыска строго дозированного
количества топлива 9, находящегося под давлением до 10–150 МПа. Для подачи топлива в форсунку имеется топливный плунжерный насос высокого давления. Высокое давление впрыскиваемого в камеру сгорания дизельного топлива
обеспечивает распыл топлива до капель размером не более 10–100 мкм.
Рис. 1.3. Схема простейшего одноцилиндрового двигателя с самовоспламенением
топливовоздушной смеси: 1 – картер; 2 – цилиндр; 3 – головка цилиндра; 4 – поршень;
5 – шатун; 6 – коленчатый вал; 7 – впускной клапан; 8 – выпускной клапан;
9 – форсунка для впрыска топлива
Так же, как и в двигателях с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси, пространство, ограниченное стенками цилиндра, его головкой и поршнем, называется камерой сгорания. Коленчатый вал предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня,
которое передается на этот вал шатуном, во вращательное.
Различают быстроходные дизельные двигатели с числом оборотов коленчатого вала более 800 об/мин и тихоходные двигатели с числом оборотов
150–500 об/мин.
Топливом для быстроходных дизельных двигателей являются дизельные
топлива (жидкие нефтяные или газоконденсатные фракции, выкипающие в интервале температур от 180 до 360 оС, реже до 400 оС), а для тихоходных – более
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тяжелые моторные и судовые топлива, температура конца кипения которых
значительно превышает 400 оС. Эти топлива по сравнению с бензинами имеют
относительно низкие температуры самовоспламенения. Бензины из-за своих
высоких температур самовоспламенения не обеспечивают запуск холодного
дизельного двигателя и его устойчивую работу при низких нагрузках и малых
подачах топлива. Однако с 1960–1970-х годов на военной технике стали применять многотопливные дизельные двигатели, в которых в качестве одного из
видов топлив используется бензин, но эти двигатели оборудованы специальными устройствами для облегчения воспламенения топлива.
Применение более тяжелых топлив для тихоходных дизельных двигателей объясняется более длительным периодом времени для распыла топлив,
их смешения с воздухом и горения топливовоздушной смеси.
Цикл работы наиболее распространенного дизельного ДВС состоит из
четырех тактов (см. рис. 1.3):
1. Всасывание воздуха (принудительный такт) – поршень 4 идет вниз,
впускной клапан 7 открыт, выпускной клапан 8 закрыт, очищенный в фильтре воздух заполняет цилиндр 2.
2. Сжатие воздуха (принудительный такт) – поршень 4 идет вверх, впускной 7 и выпускной 8 клапаны закрыты, воздух сжимается до 4–7 МПа и
нагревается до 500–600 оС, при достижении поршнем максимального верхнего положения (верхней мертвой точки) в воздух через форсунку 9 впрыскивается под высоким давлением (до 10–150 МПа) дизельное топливо.
3. Рабочий ход поршня (рабочий такт) – за счет сгорания топливовоздушной смеси и повышенного давления образовавшихся продуктов сгорания
поршень 4 идет вниз, впускной 7 и выпускной 8 клапаны закрыты. Рабочий
ход продолжается до момента достижения поршнем максимального нижнего
положения (нижней мертвой точки).
4. Выпуск продуктов сгорания из цилиндра (принудительный такт) –
поршень 4 идет вверх, впускной клапан 7 закрыт, выпускной клапан 8 открыт, продукты сгорания топливовоздушной смеси покидают цилиндр 2.
После этого цикл повторяется.
За четыре движения поршня в цилиндре двигателя или за два оборота
коленчатого вала только один ход поршня является рабочим тактом, который совершается за счет расширения газов, а остальные три такта – за счет
инерции маховика, закрепленного на коленчатом валу.
Для поддержания равномерной работы двигателя он имеет несколько
цилиндров, поршни которых через соответствующие шатуны приводят во
вращение один коленчатый вал. Сгорание и расширение газов в каждом из
цилиндров происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.
Кроме четырехтактных дизельных двигателей применяются, хотя значительно реже, двухтактные дизельные двигатели, в которых весь цикл протекает за один оборот коленчатого вала. В конце рабочего хода поршня
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
открывается выпускное окно, куда выводятся отработанные газы, а затем открывается впускное окно (или впускной клапан), через которое в цилиндр
поступает очищенный воздух. Поршень доходит до нижней мертвой точки и
начинает возвращаться к верхней мертвой точке, перекрывает впускные
и выпускные окна, и воздух сжимается и нагревается. Перед подходом
поршня к верхней мертвой точке в камеру сгорания через форсунку подается
под высоким давлением дизельное топливо, оно смешивается с воздухом
и загорается, и вновь начинается рабочий ход поршня.
В отличие от ДВС с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси степень сжатия (отношение объема цилиндра, когда поршень
находится в нижней мертвой точке, к объему цилиндра, когда поршень находится в верхней мертвой точке) в дизельных двигателях достигает 20–40
и ограничивается в основном прочностью цилиндра. Коэффициент избытка
воздуха в дизельных двигателях по сравнению с теоретически необходимым
количеством для полного сгорания топлива составляет 1,0–1,2, при этом он
поддерживается примерно постоянным за счет дозирования количества подаваемого в цилиндры топлива.
Удельный расход дизельного топлива меньше, чем у карбюраторного ДВС, на 20–30 % и составляет 200–250 г/(кВт·ч), а общая мощность
значительно выше (до 10 000 кВт). Это делает дизельные двигатели универсальными во всех сферах применения (на автотранспорте, сельскохозяйственной технике, тепловозах, кораблях, бронетанковой технике, буровых
установках и др.). Дизельное топливо дешевле бензинов, но в последние
годы из-за увеличения парка дизельных автомобилей, расширения рынков
сбыта дизельного топлива и возросших эксплуатационных и экологических требований к его качеству оно по стоимости приблизилось к стоимости высокооктановых автомобильных бензинов.
Эксплуатируются также газодизельные двигатели (газодизели), в которых при такте «всасывание» вместо воздуха в цилиндр поступает газовоздушная смесь, состоящая из углеводородных газов (от метана до бутанов)
и воздуха. Далее при такте «сжатие» эта смесь сжимается и нагревается, а в
верхней мертвой точке в цилиндр впрыскивается небольшая доза обычного
дизельного топлива. Дизельное топливо самовоспламеняется и зажигает газовоздушную смесь, выполняя роль запала. Степень сжатия в этом двигателе
составляет около 15, а общий расход топлива складывается из расхода
газа (85 %) и дизельного топлива (15 %).
Комплект газодизельной аппаратуры обеспечивает хранение компримированного газа, снижение его давления до атмосферного с помощью редукторов высокого и низкого давления, дозирование, смесеобразование, подачу газовоздушной смеси в двигатель, ограничение подачи дизельного топлива до
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
уровня запальной дозы, взаимное согласование подачи дизельного топлива и
газа, защиту двигателя от нештатных режимов работы. Смеситель газа и воздуха типа «труба в трубе» устанавливается как правило на выходе из воздушного фильтра. Газодизельные двигатели применяются на газоперекачивающих станциях, нефте- и газобуровых установках и на транспорте (в частности,
на танкерах для перевозки сжиженных природных газов (LNG), при этом
перевозимый газ одновременно является топливом для газодизеля).
В целом дизельные двигатели сложнее и тяжелее по сравнению с двигателями с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси, что
объясняется:
– более высокими степенями сжатия и, как следствие, более прочными
и массивными цилиндровыми группами;
– использованием топливного насоса высокого давления, который
представляет собой сложное устройство с прецизионно притертыми плунжерными парами и регулируемой подачей топлива;
– необходимостью тонкой очистки топлива перед форсунками, имеющими зазоры в распылительной части сопла порядка долей миллиметра.
Несмотря на эти недостатки, применение дизельных двигателей экономически выгодно, поэтому почти во всех странах мира стоит задача повышения
доли дизельных двигателей на транспорте, включая легковой, до 60–65 %.
1.2. Двигатели с непрерывным сгоранием топлива
К двигателям внутреннего непрерывного сгорания топлива относятся
различные реактивные двигатели и газовые турбины.
В реактивных двигателях при сгорании топлива его тепловая (химическая) энергия превращается в кинетическую энергию (реактивную тягу)
выходящих из сопла продуктов горения, что позволяет объекту, на котором
установлен этот двигатель, двигаться в противоположную сторону. Реактивные двигатели, в которых в качестве окислителя для обеспечения горения
топлива используется атмосферный воздух, называются воздушнореактивными, а реактивные двигатели, в которых используется жидкий окислитель жидкого топлива из баков самого движущегося объекта, – жидкостными ракетными или жидкостно-реактивными.
В газовых турбинах кинетическая энергия продуктов сгорания топлива
переходит в механическую энергию вращения вала турбины, оборудованного для этого специальными лопатками.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2.1. Жидкостные ракетные двигатели
Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) – это относительно новый
вид двигателей, массовое применение которого началось с конца 50-х годов ХХ века.
Схема жидкостного ракетного двигателя весьма проста (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Схема жидкостного ракетного двигателя (ЖРД): 1 – камера сгорания; 2 – сопло;
3 – форсунка топливная; 4 – форсунка окислителя; 5 – топливный бак; 6 – бак окислителя;
7 – насосы; 8 – змеевики охлаждения сопла и подогрева компонентов горения
Камера сгорания 1 переходит через узкое горло в специально профилированный раструб – сопло 2. В камеру сгорания 1 через форсунки 3 и 4 насосами 7 подаются под давлением соответственно жидкое топливо из бака 5
и жидкий окислитель из бака 6. По пути из баков к форсункам топливо и
окислитель проходят по змеевикам 8, которые предназначены для охлаждения и, как следствие, предупреждения прогара сопла и одновременно для нагрева топлива и окислителя. В камере сгорания топливо и окислитель распыляются, перемешиваются, испаряются, воспламеняются и сгорают.
Топлива могут воспламеняться химическим путем (самовоспламеняющиеся
топлива), пиротехническим путем и электрическим способом. Все эти процессы в ЖРД протекают одновременно. Топливо сгорает при давлениях до
15–20 МПа, температуре до 2 700–4 300 оС. Скорость вытекания рабочего
тела (газообразных продуктов сгорания) из сопла – 2 700–4 500 м/с.
В ЖРД отсутствуют движущиеся части (за исключением насосов),
и вся энергия сгорания топлива превращается в реактивную тягу.
Рабочий процесс в ЖРД по сравнению с другими тепловыми двигателями имеет следующие характерные особенности:
– в камеру сгорания топливо и окислитель вводят в жидкой фазе;
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– процесс горения в камере сгорания характеризуется высокой теплонапряженностью (количество тепла, выделяемого в единице объема камеры
сгорания за единицу времени) – (1,0–1,2)·106 кДж/(м3·с);
– начальное распыление топлива является довольно грубым по сравнению с другими тепловыми ДВС для обеспечения малого перепада давления
на форсунках;
– расходонапряженность (отношение секундного расхода топлива к
площади поперечного сечения камеры сгорания) значительно превышает
этот показатель у других тепловых двигателей и составляет 50–100 относительных единиц;
– температуры и давления в камере сгорания высокие и время взаимодействия между топливом и окислителем мало;
– интенсивная передача тепла стенкам камеры сгорания вызывает
необходимость обязательного их охлаждения.
В качестве топлива для ЖРД используются либо синтетические продукты (например, нитрометан), либо углеводороды природного происхождения, например фракции нефти нафтенового основания (топливо «Нафтил»).
В мощных ракетах-носителях космических кораблей многоразового использования типа «Шаттл» и «Буран» топливом является жидкий водород – самое высокоэнергетическое и экологически безопасное топливо. В качестве
окислителя могут применяться жидкий кислород, перекись водорода, различные концентрированные кислоты и др.
Тяга отечественных жидкостных ракетных двигателей РД-214 и
РД-119, стоявших на 1-й и 2-й ступенях ракеты «Космос», составляла примерно 700–1 000 кН. Самый крупный ЖРД с тягой 8 000 кН был установлен
на 1-й ступени ракеты «Сатурн-5» (США), которая имела четыре таких двигателя и предназначалась для вывода космических пилотируемых кораблей
на траекторию полета к Луне.
1.2.2. Воздушно-реактивные двигатели
Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) используются в авиации с
1940-х годов. Главное их отличие от жидкостных ракетных двигателей заключается в том, что топливо впрыскивается в поток воздуха, который с помощью компрессора поступает через воздухозаборник из атмосферы.
Термодинамический цикл ВРД включает процессы сжатия воздуха, подвода
теплоты и расширения нагретого газа.
Топливом для воздушно-реактивных двигателей является реактивное
топливо, различающееся для дозвуковой и сверхзвуковой авиации и представляющее собой облагороженные керосиновые нефтяные фракции, выки21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пающие в интервале температур от 60–150 до 250–330 оС. Имеются сведения
о летных испытаниях самолетов и вертолетов, в которых вместо реактивного
топлива используется жидкий водород или сжиженные углеводородные газы.
В авиации в настоящее время применяются и в ближайшем будущем
будут применяться ВРД трех типов: турбореактивные, турбовинтовые и прямоточные.
На рис. 1.5 приведена схема авиационного турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя (ТКВРД), сокращенно – турбореактивного.
Рис. 1.5. Схема авиационного турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя
(ТКВРД): 1 – лопатки компрессора; 2 – лопатки газовой турбины; 3 – форсунки;
4 – камеры сгорания; 5 – насос; 6 – топливный бак
В сигарообразном корпусе на общем валу расположены воздушный
компрессор и газовая турбина. Между ними по окружности корпуса двигателя находятся 6–8 камер сгорания 4, в которые через форсунки 3 роторным
насосом 5 под давлением 2–3 МПа подается топливо из топливного бака 6
летательного аппарата. Лопатками компрессора 1 воздух засасывается, сжимается до 1,0–1,5 МПа и за счет сжатия предварительно нагревается, после
чего поступает в камеры сгорания 4. В этих камерах топливо сгорает, и раскаленные до 1 200–1 300 оС продукты сгорания с огромной скоростью поступают на лопатки газовой турбины 2. Газовая турбина имеет одну или две
ступени, что вполне достаточно для привода компрессора, а остальная энергия продуктов сгорания (их температура после газовой турбины – 850–900 оС)
расходуется на создание реактивной тяги через сопло (до 200–300 кН).
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме обычного турбореактивного двигателя существуют его разновидности:
– ТКВРД с форсажем, в котором в момент форсирования топливо
подается не только в камеру сгорания, но и за газовую турбину (в сопло), что
позволяет резко увеличить скорость самолета. Такие двигатели устанавливаются только на военных самолетах;
– ТКВРД с изменяемым вектором тяги (в том числе и с форсажем), в котором сопло может изменять направление истечения продуктов сгорания из
двигателя. Это позволяет резко увеличить маневренность военного самолета;
– двухконтурные ТКВРД, когда у двигателя имеются два корпуса, образующие два контура – внутренний и внешний, по которым внутренним и
внешним компрессорами нагнетается воздух, а газовая турбина вращает валы обоих компрессоров. Эти двигатели весьма экономичны и устанавливаются на современных пассажирских и транспортных самолетах. Такие двигатели называются также турбовентиляторными.
Основные характеристики турбореактивных двигателей приведены
в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Основные характеристики турбореактивных двигателей
Тип двигателя
Характеристики
Тяга, кН
Удельный расход топлива, кг/(кН·ч)
Удельная масса двигателя, кг/кН
обычный
с форсажем
двухконтурный
1–150
70–100
12–35
20–200
180–250
12–26
10–300
35–70
12–30
В турбовинтовом воздушно-реактивном самолетном двигателе газовая турбина значительно мощнее по сравнению с газовой турбиной в
ТКВРД, т. к. она вращает не только компрессор двигателя, но и винт летательного аппарата, а остальная энергия продуктов сгорания топлива (значительно меньшая, чем у ТКВРД) идет на создание реактивной тяги.
В турбовинтовом воздушно-реактивном вертолетном двигателе вся энергия продуктов сгорания топлива расходуется на привод компрессора и несущего винта, а реактивная тяга отсутствует.
Прямоточные ВРД применяются при больших сверхзвуковых скоростях полета и устанавливаются на военных самолетах и других летательных
аппаратах (например, на крылатых ракетах). Эти двигатели могут работать,
когда имеется набегающий на них с большой скоростью встречный поток
воздуха, поэтому зачастую их устанавливают на летательном аппарате
в комбинации с турбокомпрессорным ВРД.
Схема прямоточного ВРД приведена на рис. 1.6.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.6. Схема трубчатой камеры сгорания воздушно-реактивного двигателя: 1 – кожух;
2 – жаровая труба; 3 – форсунка; 4 – завихритель; а–г – зоны камеры сгорания
В прямоточных ВРД поступающий в воздухозаборник воздух за счет
своей кинетической энергии при торможении в двигателе сжимается до давления 0,2–0,3 МПа (необходимая скорость полета при этом составляет
3–4 М, или 3 600–4 800 км/ч) и поступает в камеру сгорания. Туда же через
форсунку 3 поступает топливо, которое распыляется, испаряется, смешивается с воздухом, воспламеняется и сгорает. Продукты сгорания вытекают из
сопла с большой скоростью, создавая реактивную тягу.
Основным условием надежного горения топлива в трубчатой камере
сгорания прямоточного ВРД является превышение скорости горения над
скоростью поступления воздуха в 1,5–2 раза, а также соответствующий распыл топлива и благоприятный коэффициент избытка окислителя (α). Оптимальным для двигателя считается распыл со средним диаметром капель
70–100 мкм при углах раскрытия конуса 60–70 о при запуске, 110–120 о при
малом газе и 80–90 о в номинальных режимах.
В камере сгорания прямоточного ВРД условно выделяются три зоны
(рис. 1.6).
В первой зоне (а–б) происходят распыливание, испарение, смешение с
воздухом и образование горючей смеси с коэффициентом избытка окислителя
α ≈ 1,0.
Во второй зоне (б–в) осуществляются воспламенение и горение топлива.
В третьей зоне (в–г) продукты сгорания смешиваются с воздухом.
В прямоточных ВРД основным нарушением рабочего процесса является срыв пламени, вероятность которого увеличивается с увеличением высоты полета из-за разреженности атмосферы и уменьшения плотности воздуха.
Для сохранения оптимального состава топливной смеси в камере сгорания
на больших высотах приходится уменьшать расход и давление впрыска топлива, а это способствует нарушению стабильности горения. В некоторых
случаях может возникнуть даже вибрационное горение, которое вызывает
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
колебания давления в системе подачи топлива и трудноконтролируемое самовоспламенение в отдельных зонах камеры сгорания.
Во всех воздушно-реактивных двигателях первоначальный поджог топливной смеси в камере (камерах) сгорания производится при помощи электрической свечи зажигания, которая затем отключается, а первоначальная
«раскрутка» валов турбокомпрессоров и газовых турбин в турбореактивных и
турбовинтовых двигателях осуществляется стартовыми электродвигателями.
1.2.3. Газотурбинные двигатели
Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания, являющиеся относительно новым видом тепловых двигателей, применяют в транспортных и стационарных газотурбинных установках (ГТУ) на морских и речных судах,
железнодорожных локомотивах, автомобилях, электростанциях, насосных
установках, военной технике и др. Эти двигатели имеют существенные преимущества перед поршневыми ДВС, т. к. обладают меньшими размерами и
массой при одной и той же мощности, более высоким коэффициентом полезного действия, простым устройством и меньшей стоимостью, работают без
охлаждающей жидкости, легко запускаются, быстро выходят на рабочий режим и устойчиво работают даже при изменяющихся нагрузках и перегрузках.
Общей тенденцией газотурбостроения является увеличение коэффициента
полезного действия и мощности установок путем повышения температуры
газов перед турбиной.
Для газотурбинных двигателей используют жидкое, пылевидное, твердое и газообразное топливо, однако транспортные и большинство стационарных ГТУ работают на жидком топливе, в качестве которого применяют
среднекипящие дистилляты первичных и вторичных процессов переработки
нефтей и нефтяных остатков с условной вязкостью не более 3,0 при 50 оС и
со специальными требованиями по примесям (газотурбинное топливо).
В последние годы появилась тенденция к строительству газотурбинных теплоэлектростанций, работающих на природном углеводородном газе и предназначенных для регионального энергоснабжения.
Рабочий процесс в газовой турбине подобен рабочему процессу в воздушно-реактивных двигателях, но имеет некоторые отличия, а именно:
– более тяжелое и вязкое топливо требует высокой надежности топливоподающей и распыливающей аппаратуры, камер сгорания и газовой турбины;
– камеры сгорания имеют меньшую напряженность;
– процессы испарения, смесеобразования и сгорания протекают медленнее;
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– тяжелое топливо с большим содержанием металлов, смол и прочих
нежелательных компонентов приводит к отложениям на лопатках турбины, к
коррозии и другим негативным явлениям.
Принципиальное отличие газотурбинных установок от воздушнореактивных двигателей – это полное отсутствие в газовых турбинах реактивной тяги, что несколько напоминает вертолетные ВРД.
На рис. 1.7 приведена схема корабельной (или транспортной) газотурбинной установки.
Рис. 1.7. Схема корабельной газотурбинной установки и ее топливной системы:
1 – гребной винт; 2 – редуктор; 3 – компрессор; 4 – турбина; 5 – пусковой двигатель;
6 – камера сгорания; 7 – насос-регулятор; 8 – фильтр; 9 – подкачивающий насос;
10 – резервуар с топливом
Компрессор газотурбинной установки 3 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его и подает в камеру сгорания. Топливо забирают из резервуара 10 подкачивающим насосом 9 и прокачивают через фильтр 8. Очищенное топливо насосом-регулятором 7 подается через форсунку 6 в камеру
сгорания ГТУ, из которой продукты сгорания поступают на лопатки газовой
турбины 4 и после регенераторов выбрасываются в атмосферу. Газовая
турбина – это роторный двигатель, в лопаточном узле (роторе) которого
энергия газов (продуктов сгорания топлива), находящихся под давлением и
имеющих высокую температуру, преобразуется в механическую энергию на
валу ротора. Пуск ГТУ осуществляется при помощи вспомогательного автономного пускового двигателя 5. Часть полученной в газовой турбине мощности расходуется на привод турбокомпрессора 3, имеющего общий вал
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
с газовой турбиной 4, а избыточная (основная) мощность – на привод гребного винта 1, перед которым стоит понижающий редуктор 2.
Стационарные газотурбинные установки по принципу работы полностью идентичны транспортным ГТУ (рис. 1.8), но как правило используются
для привода электрогенераторов и имеют более мощную систему регенерации тепла продуктов сгорания топлива для нагрева поступающего в турбокомпрессор воздуха, что приводит к повышению коэффициента полезного
действия всей установки.
Рис. 1.8. Схема стационарной газотурбинной установки: 1 – осевой компрессор;
2 – газовая турбина; 3 – генератор; 4 – форсунки; 5 – топливный бак; 6 – воздух;
7 – продукты сгорания
Вал газотурбинной установки вращается при полных нагрузках с частотой до 15–20 тыс. об/мин, воздух в турбокомпрессоре сжимается
до 1,0–1,2 МПа (т. е. степень сжатия равняется 10–12), а температура предварительного подогрева воздуха перед турбокомпрессором достигает
150–180 оС. Число ступеней газовой турбины (следовательно, и ее мощность) подбирается таким, чтобы оно было достаточным для привода во
вращение вала турбокомпрессора, а избыточная мощность соответствовала
максимальной нагрузке, подключенной к ГТУ.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите принципиальные отличия двигателей внутреннего сгорания от
двигателей внешнего сгорания и дайте общую классификацию двигателям внутреннего сгорания.
2. Дайте классификацию двигателям с периодическим сгоранием топлива
(поршневым двигателям). В чем заключается принципиальное отличие двигателей
Отто от двигателей Дизеля?
3. В чем заключается основной отличительный признак карбюраторных двигателей?
4. Из каких тактов состоит цикл работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси?
Кратко опишите каждый такт.
5. Какими основными параметрами характеризуются двигатели внутреннего
сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси? Дайте им
определения.
6. В чем заключается принципиальное отличие инжекторных двигателей от
карбюраторных? Назовите преимущества инжекторных двигателей.
7. Из каких тактов состоит цикл работы четырехтактного дизельного двигателя внутреннего сгорания? Кратко опишите каждый такт.
8. Назовите преимущества и недостатки дизельных двигателей перед двигателями с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси.
9. Что такое газодизельный двигатель? Кратко опишите принцип его работы.
10. Назовите разновидности турбореактивных двигателей и их принципиальные отличия друг от друга.
11. В чем состоит принципиальное отличие турбореактивного двигателя
от газотурбинного? Назовите области применения газотурбинных двигателей.
12. Назовите топлива, которые могут применяться для каждого вида двигателей внутреннего сгорания.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА 2
АВТОМОБИЛЬНЫЕ И АВИАЦИОННЫЕ БЕНЗИНЫ
Бензины – одни из наиболее квалифицированных и дорогих энергоносителей и, как уже отмечалось выше, предназначены для применения в
поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси от электрической искры. В зависимости от
назначения они разделяются на автомобильные и авиационные. Вопрос использования бензинов в многотопливных дизельных двигателях в учебном
пособии не рассматривается.
Несмотря на различия в условиях применения, автомобильные и авиационные бензины характеризуются общими показателями качества, определяющими их физико-химические и эксплуатационные свойства.
К современным товарным бензинам предъявляются следующие основные требования, обеспечивающие экономичную и надежную работу ДВС с
принудительным воспламенением топливовоздушной смеси:
– хорошая испаряемость, позволяющая получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах окружающего воздуха;
– групповой углеводородный состав должен обеспечивать устойчивый,
бездетонационный процесс сгорания топливовоздушной смеси на всех режимах работы двигателя;
– бензины, а также выхлопные газы, образующиеся при сгорании бензина в двигателях, должны быть малотоксичными и оказывать минимальное
воздействие на окружающую среду;
– при длительном хранении и транспортировке бензины не должны изменять своего состава и свойств и оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары для хранения, резинотехнические изделия и др.
В 2006 году в России производство автобензинов составило 34,1 млн т,
при этом выпуск высокооктановых бензинов с октановым числом по исследовательскому методу более 92 единиц достиг 68,7 %. В США собственное производство автобензинов составляет 380 млн т/год, еще дополнительно импортируется до 21 млн т /год высококачественных бензинов. В Западной Европе
автомобильных бензинов производится более 130 млн т/год. Потребление автомобильных бензинов на душу населения составляет, кг/год: в США – 1 300,
в Западной Европе – 360, в Японии – 320, в России – 160. Авиационных бензинов в мире производится сравнительно немного (всего примерно 2 % от общего
производства бензинов) из-за ограниченности их применения только «малой»
авиацией: на спортивных поршневых самолетах и мотодельтапланах, в сельскохозяйственной авиации и т. п.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.1. Общие требования к бензинам
Общие требования к современным бензинам можно разделить на четыре группы: требования, связанные с работой двигателя; требования эксплуатации; требования, обусловленные необходимостью и возможностью
массового производства; экологические требования.
2.1.1. Требования, связанные с работой двигателя
Автомобильные и авиационные бензины применяются в поршневых
двигателях с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси
электрической искрой. Смесь бензинов с воздухом готовится при относительно низких температурах либо в специальном приборе – карбюраторе
(карбюраторные двигатели), либо во впускном трубопроводе и (или) камерах
сгорания, куда бензин впрыскивается при помощи форсунок (инжекторные
двигатели). Авиационные поршневые двигатели и современные автомобильные двигатели в подавляющем большинстве случаев являются инжекторными, а карбюраторные двигатели устанавливались на большинстве автомобилей, выпущенных до 2000 года.
В карбюратор бензин подается диафрагменным насосом из топливного
бака. По пути бензина из бака в карбюратор установлен ряд топливных
фильтров и фильтров-отстойников для его очистки от механических примесей и воды. В карбюраторе бензин распыляется, частично испаряется, смешивается с воздухом, и образовавшаяся смесь по впускному трубопроводу
(коллектору) направляется в цилиндры двигателя. В цилиндрах в тактах
впуска и сжатия происходят окончательное испарение бензина и его смешение с воздухом.
В инжекторных двигателях с автоматической системой управления
впрыском топлива бензин подается насосом на распыливающие форсунки, а
топливовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе и непосредственно в цилиндрах или специальной смесительной камере.
В конце такта сжатия (см. гл. 1) топливовоздушная смесь в двигателях
обоих типов воспламеняется электрической искрой. Образовавшийся очаг
горения постепенно переходит в турбулентное пламя, распространяющееся
по всему объему камеры сгорания.
Для нормальной и эффективной работы ДВС с принудительным воспламенением необходимо следующее:
1. Распространение фронта пламени в камере сгорания должно происходить с оптимальной скоростью (от 20 до 30–50 м/с) на всех режимах работы с
необходимыми мощностными, экономическими и экологическими показате30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лями. Превышение этой скорости приводит к детонационному (взрывообразному) сгоранию, а меньшая скорость по сравнению с оптимальной – к неполному сгоранию топлива. При детонационном сгорании (скорость распространения фронта пламени – 1 500–2 500 м/с) происходит разрушение поршней,
клапанов, подшипников шатунов и коленчатого вала, а неполное сгорание приводит к отложению нагара на деталях двигателя, росту содержания сажи и токсичных компонентов в выхлопных газах и увеличению расхода топлива.
Это требование регламентирует теплоту сгорания бензина, его групповой углеводородный состав, содержание неуглеводородных компонентов,
стойкость к детонации (октановое число) и неуправляемому калильному зажиганию (воспламенение топливовоздушной смеси от мест перегревов в камере сгорания, которые образуются в местах нагара) и др.
2. Применяемый бензин должен обеспечивать создание однородной
топливовоздушной смеси необходимого состава при любых температурах
окружающего воздуха, что обусловливает экономичность ДВС, хорошие
пусковые характеристики при любых температурах, быстрый прогрев и высокую приемистость (переход с одного режима работы на другой), надежную работу карбюратора или форсунок, минимальное образование отложений во впускной системе.
Это требование регламентирует такие показатели качества бензинов,
как испаряемость (фракционный состав и давление насыщенных паров), вязкость, теплота испарения, плотность, содержание смол и др.
2.1.2. Эксплуатационные требования
До того как произведенный на нефтеперерабатывающих предприятиях
бензин попадет в бак автомобиля или летательного аппарата, он проходит
длительный путь транспортирования трубопроводным, железнодорожным,
водным и автомобильным транспортом и хранения в резервуарах заводаизготовителя, нефтебаз различного назначения и заправочных станций.
Транспортирование, хранение и применение бензина непосредственно на автомобилях и летательных аппаратах происходит в различных климатических
условиях при температуре окружающего воздуха от –60 оС до +40–45 оС.
В связи с этим состав бензина должен исключать возникновение трудностей
при выполнении всех перечисленных операций в любых климатических условиях и при этом сохранять свои основные эксплуатационные показатели
качества с возможно меньшими потерями.
Эти требования эксплуатации регламентируют такие свойства бензинов,
как химическая стабильность при хранении, прокачиваемость, зависящая от
температуры кристаллизации, вязкостно-температурные характеристики, со31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
держание механических примесей и воды, склонность к потерям от испарения
и способность образовывать паровые пробки в трубопроводах, растворимость
воды и воздуха, содержание коррозионно-агрессивных соединений и др.
2.1.3. Требования производства
Из всех массово производимых моторных топлив бензин является самым дорогостоящим и наиболее прибыльным для нефтеперерабатывающей
промышленности. Получение автомобильных и авиационных бензинов почти полностью базируется на переработке нефти и осуществляется с помощью сложного комплекса различных технологических процессов: первичной
перегонки нефти, каталитических крекинга и риформинга, каталитической
изомеризации, алкилирования и др.
Требования производителей бензинов заключаются в следующем:
– углеводородный состав и пределы кипения бензинов должны
максимально соответствовать смеси углеводородов, находящихся в низкокипящей части нефти;
– детонационная стойкость бензинов не должна превышать максимального уровня, достижимого при использовании современных технологических процессов переработки нефти с ее наименьшими прямыми потерями
и превращением в побочные продукты;
– нормы на показатели качества бензинов должны позволять использовать для их производства нефти с различным углеводородным и фракционным составами и содержанием различных гетероатомных примесей;
– использование дорогостоящих компонентов и присадок, не производимых на заводах-изготовителях бензинов, должно быть наименьшим.
Таким образом, требования производителей бензинов ограничивают
требования моторостроителей на определенном, оптимальном с точки зрения экономической целесообразности уровне, достижимом при использовании доступного сырья и современной технологии его переработки. При развитии нефтепереработки удовлетворяются все возрастающие требования
моторостроителей.
2.1.4. Экологические требования
Нефть и нефтепродукты, включая бензины, являются самыми распространенными загрязнителями окружающей среды. Воздействие бензина на
окружающую среду обусловлено токсичностью составляющих его углеводородов и неуглеводородных примесей как в жидком, так и в парообразном
состоянии. Токсичностью обладают и многие продукты сгорания бензинов.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Токсичность бензинов обусловливается их химическим и фракционным составом. Токсичность бензинов тем выше, чем больше в них содержится непредельных и ароматических углеводородов, а также сероорганических и кислородсодержащих соединений. Токсичность бензинов возрастает
также с повышением давления насыщенных паров и понижением температуры начала кипения.
Экологические требования к бензинам постоянно ужесточаются. Техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному
бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», утвержденным Постановлением Правительства РФ
от 27.02.2008 г. № 118, установлены требования к характеристикам автомобильного и авиационного бензина в зависимости от экологического класса.
Требования к автомобильным бензинам для экологических классов 2–5 приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Требования к характеристикам автомобильного бензина
Характеристики
Массовая доля серы, не более
Объемная доля бензола,
не более
Концентрация, не более:
– железа
– марганца
– свинца
Массовая доля кислорода,
не более
Объемная доля углеводородов, не более:
– ароматических
– олефиновых
Октановое число, не менее:
– по исследовательскому
методу
– по моторному методу
Давление паров, не более:
– в летний период
– в зимний период
Единица
измерения
Нормы в отношении экологических
классов
2
3
4
5
мг/кг
500
150
50
10
%
5
1
1
1
мг/дм3
%
Отсутствие
–
2,7
2,7
2,7
–
–
42
18
35
18
35
18
92
83
95
85
95
85
95
85
–
–
45–80
50–100
45–80
50–100
45–80
50–100
%
–
кПа
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 2.1
Единица
измерения
Характеристики
Объемная доля оксигенатов,
не более:
– метанола
– этанола
– изопропанола
– третбутанола
– изобутанола
– эфиров, содержащих 5
или более атомов углерода в молекуле
– других оксигенатов
(с температурой конца
кипения не выше 210 оС)
%
Нормы в отношении экологических
классов
2
3
4
5
–
–
–
–
–
Отсутств.
5
10
7
10
Отсутств.
5
10
7
10
–
15
15
Отсутств.
5
10
7
10
15
–
10
10
10
Производство автомобильного бензина осуществляется в отношении:
а) экологического класса 2 – до 31 декабря 2008 года;
б) экологического класса 3 – до 31 декабря 2009 года;
в) экологического класса 4 – до 31 декабря 2012 года.
Следует отметить, что экологическому классу 3 и выше соответствуют
инжекторные бензиновые двигатели.
Основные технические требования к качеству автобензинов, обеспечивающих выполнение норм по выбросам автомобильным транспортом
ЕВРО-2, ЕВРО-3, ЕВРО-4 и ЕВРО-5 в странах Европейского экономического сообщества (ЕЭС), приведены для сравнения в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Требования ЕЭС к автобензинам
Параметры
Содержание серы,
мг/дм3, не более
Содержание ароматических
углеводородов, % об., не более
Содержание олефиновых
углеводородов, % об., не более
Содержание бензола,
% об., не более
Содержание кислорода,
% мас., не более
34
ЕВРО-2
ЕВРО-3
ЕВРО-4
ЕВРО-5
500
150
50
30
–
42
35
25
–
18
18
15
5
1
1
0,7
–
2,3
2,7
2,7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 2.2
Параметры
Давление насыщенных паров,
кПа, не более
Наличие моющих присадок
ЕВРО-2
ЕВРО-3
–
–
60
ЕВРО-4
ЕВРО-5
60
Обязательно
60
В табл. 2.3 приведены требования к характеристикам авиационного бензина в соответствии с упомянутым выше техническим регламентом
«О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту».
Таблица 2.3
Требования к характеристикам авиационного бензина
Характеристики
Единица измерения
Нормы
Октановое число (бедная смесь), не менее
Сортность (богатая смесь), не менее
Температура начала кристаллизации, не выше
Содержание механических примесей и воды
Давление насыщенных паров
–
–
о
С
–
кПа
91
115
–60
Отсутствие
29,3–49,0
В настоящее время явно прослеживается тенденция к ужесточению в
странах Западной Европы норм на содержание в автобензинах ароматических углеводородов и серы (табл. 2.2). В целом требования к бензинам в
России соответствуют требованиям к бензинам в Западной Европе, кроме
требований по давлению насыщенных паров. В России более высокие значения давлений насыщенных паров объясняются более холодными климатическими условиями и необходимостью запуска двигателей при низких температурах.
2.2. Основные нормируемые показатели качества бензинов
К основным нормируемым показателям качества, общим для автомобильных и авиационных бензинов, относятся:
– октановое число по моторному и (или) исследовательскому методу;
– фракционный состав по ГОСТ 2177;
– давление насыщенных паров;
– содержание серы;
– содержание ароматических углеводородов;
– содержание тетраэтилсвинца (или свинца);
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– испытание на медной пластинке (коррозия медной пластинки);
– концентрация фактических смол;
– кислотность.
Для авиационных бензинов дополнительно нормируются сортность на
богатой смеси, удельная теплота сгорания, йодное число, температура начала
кристаллизации, период стабильности и содержание параоксидифениламина, а
для автомобильных бензинов – содержание олефиновых углеводородов, марганца, бензола, массовая доля кислорода, объемная доля оксигенатов, индукционный период, плотность и индекс испаряемости (или максимальный
индекс паровой пробки).
Октановое число. Октановое число – условный показатель, характеризующий стойкость бензинов к детонации (взрывообразному сгоранию),
которая возникает в том случае, если скорость распространения пламени в
цилиндрах ДВС достигает 1 500–2 500 м/с вместо обычных 20–50 м/с. В результате резкого перепада давления при детонационном сгорании топлива
возникает детонационная волна, которая нарушает режим работы двигателя,
что приводит к перерасходу топлива, уменьшению мощности, перегреву
двигателя, прогару поршней и выпускных клапанов.
Согласно теории выдающегося русского ученого академика А.Н. Баха
суть детонации состоит в следующем. В конце такта сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя, когда температура и давление высоки,
в этой смеси начинают образовываться пероксидные соединения типа
R–OOH или R–OO–R. Когда смесь зажигается от искры, давление в камере
сгорания резко возрастает, и от этого в объеме несгоревшей части топливовоздушной смеси образование пероксидов быстро нарастает, достигая критической концентрации, при которой начинается их взрывной распад. Распад
пероксидов по всему объему несгоревшей (но уже горящей от искры) топливовоздушной смеси приводит к тому, что образуются микровзрывные фронты пламени, распространяющиеся навстречу основному фронту пламени от
искры. Происходит столкновение этих фронтов, и, поскольку скорость распространения взрывных фронтов на два порядка больше, чем основного
фронта (1 500–2 500 против 20–50 м/с), происходит многократное отражение
ударных волн от стенок цилиндра. Это явление и называется детонацией (от
греческого «детоно» – греметь).
Мерой детонационной стойкости является октановое число. Октановое
число измеряется по шкале, в которой за ноль принята детонационная стойкость нормального гептана С7Н16, а за 100 единиц – детонационная стойкость изооктана (2,2,4-триметилпентана) С8Н18. Оно определяется на специальных одноцилиндровых моторных установках УИТ-85 или УИТ-65,
имеющих переменную степень сжатия, путем сравнения характеристик
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
горения испытуемого бензина и модельных смесей изооктана с н-гептаном.
Изменение степени сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре двигателей
этих установок позволяет достичь детонационного режима их работы как на
испытуемом бензине, так и на модельной смеси.
Таким образом, октановым числом топлива называется объемное
процентное содержание изооктана в его модельной смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости в стандартных
условиях равноценна испытуемому топливу.
Испытания топлива на специальных моторных установках проводят
при двух режимах: жестком (число оборотов коленчатого вала в одну минуту составляет 900, температура всасываемой в цилиндр смеси – 149 ± 1 оС,
переменный угол опережения зажигания) и мягком (600 об/мин, температура
воздуха – 52 ± 2 оС, угол опережения зажигания – 13о). В первом случае получают октановое число по моторному методу (ГОСТ 511), которое характеризует топливо в условиях высоких нагрузок и скоростей при форсированном режиме работы двигателя (длительная загородная езда по шоссе, автотрассам, пересеченной местности и др.), во втором – октановое число по исследовательскому методу (ГОСТ 8226), характеризующее топливо в условиях городской езды.
У одного и того же бензина октановое число по исследовательскому
методу всегда выше октанового числа по моторному методу на 1–12 единиц.
Разница между этими октановыми числами называется чувствительностью
бензина. Наибольшую чувствительность имеют высокоароматизированные
бензины каталитического риформинга жесткого режима и каталитического
крекинга (до 9–12 единиц), наименьшую – состоящие преимущественно из
парафиновых и изопарафиновых углеводородов алкилбензин, бензины прямой перегонки и газовые бензины (всего 1–2 единицы).
Среднее арифметическое между октановыми числами бензинов по моторному и исследовательскому методам называется октановым индексом и
приравнивается к дорожному октановому числу. Это число нормируется
стандартами в некоторых странах, например в США.
Детонационная стойкость различных групп углеводородов, от содержания которых практически полностью зависит октановое число бензина,
различна и уменьшается в ряду: ароматические углеводороды > изоалкановые углеводороды > нафтеновые углеводороды > олефиновые углеводороды
> нормальные алканы. Октановые числа различных групп углеводородов
приведены в табл. 2.4.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.4
Октановые числа различных групп углеводородов
Углеводороды
Ароматические (С6–С8)
Изоалкановые (С7–С8)
Нафтеновые (С5–С6)
Олефиновые (С5–С8)
Нормальные алканы (С5–С7)
Октановое число
106–100
104–100
87–77
80–70
60–0
Следует отметить, что у нормальных алканов, изоалканов и олефинов детонационная стойкость уменьшается с увеличением их молекулярной массы.
Увеличение степени разветвленности изоалканов и олефинов приводит к повышению их детонационной стойкости. Чем короче цепь и ближе к краю цепи
двойная связь, тем выше детонационная стойкость олефиновых углеводородов.
У нафтеновых углеводородов с увеличением количества боковых алкильных
цепей и их разветвленности детонационная стойкость возрастает.
Неуглеводородные примеси практически не влияют на детонационную
стойкость бензинов.
Октановые числа бензинов зависят и от их фракционного состава. Так,
для бензиновых фракций, полученных при прямой перегонке нефти и термическом крекинге, с понижением их температуры кипения октановые числа
возрастают. Наоборот, полученные в процессе каталитического риформинга
фракции риформата, выкипающие при температурах выше 105 оС, имеют
более высокие октановые числа, чем фракции, кипящие ниже 105 оС. В бензинах каталитического крекинга октановые числа фракций более близки, однако и в этих бензинах головные (низкокипящие) фракции имеют более высокую детонационную стойкость.
Сортность. Она является важным, дополнительным к октановому
числу показателем детонационной стойкости авиационных бензинов при работе двигателя на богатой смеси (взлетный и форсированные режимы, резкие увеличения скорости полета и высоты и др.). При богатой смеси коэффициент избытка воздуха в топливовоздушной смеси по сравнению с его
теоретически необходимым количеством для полного сгорания топлива составляет 0,6–0,8. Сортность авиационных бензинов определяют на стандартной одноцилиндровой моторной установке ИТ 9-1 (ГОСТ 3338).
Сортностью называется максимально возможное увеличение
мощности авиационного двигателя при его работе на испытуемом
авиационном бензине, выраженное в процентах к мощности этого же
двигателя при его работе на техническом эталонном изооктане, при
одной и той же степени сжатия, работе на богатой смеси с наддувом и
отсутствии детонации.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, сортность показывает, насколько может быть форсирована работа авиадвигателя по сравнению с его работой на эталонном изооктане.
Величина сортности колеблется от 90 до 130 %. При маркировке авиационного
бензина (например, Б-95/130) в числителе дроби указывается его октановое
число по моторному методу, а в знаменателе – сортность на богатой смеси.
Фракционный состав и доля испарившегося бензина. Фракционный
состав является важным показателем качества автомобильных и авиационных бензинов, характеризующим вместе с давлением насыщенных паров их
испаряемость.
Фракционным составом называется зависимость количества
выкипающего продукта, выраженного в массовых или объемных процентах от общего количества взятого продукта, от температуры кипения.
От фракционного состава зависят такие показатели, как скорость прогрева двигателя, его приемистость, износ цилиндропоршневой группы.
Для бензинов нормируется фракционный состав, выраженный в объемных процентах и определяемый по ГОСТ 2177. Нормируются пять точек
кипения:
– температура начала кипения (НК), не ниже (для авиационных и летних марок автомобильных бензинов, применяемых в зонах с умеренным и
жарким климатом);
– температура выкипания 10 % об., не выше;
– температура выкипания 50 % об., не выше;
– температура выкипания 90 % об., не выше;
– температура конца кипения (КК), не выше. Для авиационных бензинов вместо температуры конца кипения определяется температура выкипания 97,5 % об.
Для автомобильных бензинов, отвечающих требованиям ЕВРО-2 и
выше (табл. 2.1), нормируется также доля испарившегося бензина при температурах 70, 100 и 180 (или 150) оС.
Доля испарившегося автомобильного бензина – это количество
отогнанных из исходного топлива до определенной температуры (70,
100 и 180 (150) оС) бензиновых фракций, выраженное в объемных
процентах от этого топлива.
Температуры начала кипения и выкипания 10 % об. и доля испарившегося при температуре до 70 оС бензина определяют содержание в нем легких
фракций и характеризуют его пусковые свойства и способность к самовыкипанию и образованию паровых пробок. Чем ниже температура окружающего
воздуха, тем больше легких фракций требуется для запуска двигателя, однако при повышении температуры или снижении атмосферного давления такой
бензин обладает большей способностью образовывать паровые пробки в топ39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ливных трубопроводах и испаряться из бака или резервуара (при хранении).
В связи с этим в авиационных и летних марках автомобильных бензинов такие температуры выше, а объем испарения до 70 оС – меньше.
Существует эмпирическая формула, связывающая предельную температуру запуска двигателя с температурой выкипания 10 % бензина:
tв = t10% – 50,5,
(2.1)
где tв – предельная температура запуска, оС; t10% – температура выкипания
10 % об., оС.
Наиболее существенное влияние на скорость прогрева двигателя и его
приемистость (устойчивость работы при переходе на разные режимы) оказывает температура выкипания 50 % бензина и его доля испарения при
100 оС. Температура выкипания 90 % и доля испарившегося при 180 (150) оС
бензина также влияют на эти характеристики двигателя, но в меньшей степени. Чем ниже температура воздуха, тем ниже должна быть температура
выкипания 50 % бензина (тем больше доля испарения при 100 оС) для обеспечения быстрого прогрева и хорошей приемистости двигателя. При понижении температуры это влияние усиливается. Таким образом, нормы на эти
показатели качества бензинов зависят от температурных условий эксплуатации и различаются по сезону и климатическим зонам (для авиационных и
зимних марок автомобильных бензинов температура выкипания 50 % ниже).
Температуры выкипания 90 % и конца кипения и доля испарившегося
при 180 (или 150) оС бензина оказывают большое влияние на его полноту
испарения. Чем ниже температуры кипения и больше объем испарения, тем
сильнее испаряется бензин. При его неполном испарении во впускной системе ДВС часть бензина будет поступать в камеру сгорания в жидком виде,
смывая масло со стенок цилиндров, а также проникать в картер двигателя,
разжижая масло. Это приводит к повышенным износам деталей двигателя и
отрицательно влияет на его мощность и экономичность. Однако снижение
температуры конца кипения бензина приведет к уменьшению его ресурсов,
что тоже нежелательно.
Применение в современных автомобильных двигателях систем непосредственного впрыска с электронным управлением позволяет достаточно
эффективно использовать бензины с повышенной до 215 оС температурой
конца кипения.
Авиационные бензины имеют более низкую температуру конца кипения, чем автомобильные, т. к. на высоте бензин должен полностью испаряться при более низких температурах, чем на земле.
Давление насыщенных паров. Так же, как и фракционный состав, давление насыщенных паров характеризует испаряемость бензина и оказывает
существенное влияние на пусковые свойства этого вида топлива, а также на
его способность образовывать паровые пробки.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Давлением насыщенных паров (ДНП) топлив называется давление паровой фазы топлива, находящейся в динамическом равновесии с
жидкой фазой, измеренное при стандартной температуре (38,8 оС) и
определенном соотношении паровой и жидкой фаз: (3,8–4,2) : 1.
В лабораторных условиях давление насыщенных паров для бензинов
определяют в «бомбе Рейда» по ГОСТ 1756 или в аппарате с механическим
диспергированием типа «Вихрь» по ГОСТ 28781.
Пусковые свойства бензинов ухудшаются с понижением давления насыщенных паров, причем при ДНП, равном 34 кПа, концентрация паров бензина настолько мала, что запуск двигателя становится невозможным. В связи
с этим практически во всех марках бензинов (кроме летних марок автомобильных бензинов по ГОСТ 2084, которые в настоящее время снимаются с
производства) нормируются не только верхние (для предупреждения образования паровых пробок), но и нижние (для обеспечения устойчивого запуска
двигателя) пределы давления насыщенных паров.
Для авиационных бензинов каждый из пределов ДНП ниже, чем у соответствующих предельных показателей для автобензинов. Это предупреждает
образование паровых пробок в топливной системе летательного аппарата при
его подъеме на высоту, где наблюдается пониженное атмосферное давление.
Бензины, имеющие более высокие значения ДНП, склонны к повышенным потерям от испарения при хранении в резервуарах. Для предупреждения этих потерь бензиновые резервуары обычно оборудуются специальными
устройствами: плавающими крышами и понтонами, газоуравнительными
трубопроводами и др.
Для ряда марок современных российских автомобильных бензинов
нормируется также индекс испаряемости ИИ (ГОСТ Р 51105) или максимальный индекс паровой пробки ИПП (ГОСТ Р 51866). Оба эти показателя
определяются по одной и той же формуле:
ИИ (ИПП) = 10 · ДНП + 7 · V70,
(2.2)
где ДНП – давление насыщенных паров, кПа; V70 – объем испарившегося
при температуре 70 оС бензина, %.
Содержание серы. Присутствие сернистых соединений в бензинах вызывает коррозию деталей двигателя, а главное – способствует загрязнению
окружающей среды продуктами сгорания серы (SO2 и SO3), которые не только токсичны, но при контакте с атмосферной влагой образуют серную
кислоту, приводящую к «кислотным» дождям.
Содержание серы в бензинах определяют по ГОСТ Р 5044. В современных автомобильных бензинах, отвечающих требованиям Европейского
экономического сообщества, она допускается не более 10–500 мг/кг топлива
(в зависимости от экологического класса), а в авиационных – не более
0,03–0,05 % мас.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание ароматических углеводородов. Хотя ароматические углеводороды обладают наивысшими октановыми числами, их суммарное максимальное содержание ограничивается в современных автомобильных и
авиационных бензинах. Это объясняется следующими причинами:
– ароматические углеводороды более токсичны по сравнению с парафиновыми, а при их сгорании образуются полициклические ароматические
углеводороды (бензпирены), обладающие канцерогенными свойствами;
– чем выше содержание ароматических углеводородов в бензине, тем выше температура его сгорания и содержание оксидов азота в выхлопных газах;
– несгоревшие ароматические углеводороды, содержащиеся в выхлопных газах, на воздухе под воздействием различных факторов (повышенной
влажности, солнечного света и др.) способствуют образованию стойких аэрозолей – «смога»;
– ароматические углеводороды из-за дефицита в них атомов водорода
имеют низкую теплоту сгорания, что увеличивает удельный расход бензина,
а также приводит к повышенному нагарообразованию в камере сгорания и
на других деталях двигателя;
– ароматические углеводороды гигроскопичны, что приводит к накоплению влаги в бензинах и, как следствие, к ухудшению их низкотемпературных свойств, снижению теплоты сгорания и повышенной коррозионной
агрессивности.
Последние две причины определяют верхний предел содержания ароматических углеводородов в авиационных бензинах. Их содержание не должно
превышать 35 % мас., а для авиабензина марки Б-70 – 12–20 % мас.
По всем вышеперечисленным причинам, особенно экологическим,
с повышением экологического класса автомобильных бензинов максимальное содержание ароматических углеводородов в них снижено с 42 % об.
(экологический класс 3) до 35 % об. (экологические классы 4 и 5).
Содержание ароматических углеводородов в бензинах определяют по
ASTM D 1319-95.
Содержание бензола. Бензол является одним из самых токсичных
ароматических углеводородов, входящих в состав бензинов, поэтому его
объемное содержание в современных автомобильных бензинах жестко ограничено (не более 5 % для экологического класса 2 и не более 1 % для экологических классов 3–5).
Содержание бензола в автомобильных бензинах определяется по
ГОСТ 29040 и ASTM D 4420-94.
Содержание свинца (тетраэтилсвинца). Среди экологических показателей бензинов важнейшим является содержание в них соединений свинца,
чаще всего тетраэтилсвинца (ТЭС), реже – тетраметилсвинца (ТМС), которые применяются в виде этиловой жидкости для повышения детонационной
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стойкости бензинов. В настоящее время стремятся получать высокооктановые автомобильные бензины без использования соединений свинца (неэтилированные бензины). Это связано не только с высокой токсичностью
соединений свинца и продуктов его сгорания, но и с возможностью применения на выхлопной системе двигателя каталитических систем нейтрализации выхлопных (отработанных) газов, т. к. токсичные продукты сгорания
свинца являются одновременно и каталитическими ядами.
В этилированных автомобильных бензинах, которые выпускались
в России ранее, допускалось массовое содержание свинца до 0,17 г/дм3.
В современных и перспективных марках российских автомобильных бензинов предусмотрено полное отсутствие свинца в бензинах экологических
классов, начиная с 3-го.
В авиационных бензинах продолжают применять тетраэтилсвинец в
количестве от 2,0 до 3,1 г/кг бензина, однако и здесь наметилась тенденция к
выпуску и применению малоэтилированных бензинов с содержанием ТЭС
не более 1,0 г/кг топлива.
Определение содержания свинца в автомобильных бензинах производят по ГОСТ 28828 или ASTM D 3237-90.
Испытание на медной пластинке (коррозия медной пластинки).
Автомобильные и авиационные бензины должны быть химически нейтральными и не вызывать коррозию металлов, из которых изготавливают топливную систему двигателя, а продукты их сгорания – коррозию деталей самого
двигателя и системы вывода выхлопных газов. Коррозионная активность
бензинов и продуктов их сгорания зависит от содержания общей и меркаптановой серы, кислотности, содержания водорастворимых кислот и щелочей
(ВКЩ), присутствия воды.
Испытанием на медной пластинке (или коррозией медной пластинки)
контролируется содержание в бензине сероводорода и элементной серы.
Этот анализ проводят по ГОСТ 6321.
Содержание фактических смол. Смолы в бензинах – это продукты
окисления углеводородов и полимеризации олефинов. Смолы вызывают повышенное образование отложений и нагарообразование в цилиндрах двигателя, клапанах, карбюраторах, форсунках, топливной системе.
Содержание фактических смол в бензинах определяется по ГОСТ 1567
и не должно превышать в автомобильных бензинах 5,0 мг/100 см3 бензина,
в авиационных – 2,0–4,0 мг/100 см3 бензина.
Кислотность. Кислотность является прямым показателем содержания
в бензинах органических кислот и выражается количеством щелочи, пошедшей на их нейтрализацию. Вместе с другими показателями (испытание на
медной пластинке, содержание серы и др.) по значению кислотности судят
о коррозионной активности бензинов при хранении, транспортировке и в топливной системе ДВС.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для авиационных бензинов кислотность должна составлять 0,3–1,0 мг
КОН/100 см3 бензина, для автомобильных – 0,8–3,0 мг КОН/100 см3 бензина.
Определяют кислотность по ГОСТ 5985.
Удельная теплота сгорания. Удельная теплота сгорания нормируется
только для авиационных бензинов.
Удельной теплотой сгорания называется количество теплоты,
выделяемой при полном сгорании единицы массы или объема топлива.
Этот показатель характеризует потенциальный запас энергии в авиационном бензине и во многом определяет мощность двигателя летательного
аппарата.
Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшая теплота
сгорания включает в себя все тепло, выделившееся при полном сгорании
топлива, охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива и конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водородных атомов,
входящих в состав углеводородных молекул топлива. Эта теплота определяется по ГОСТ 21261.
Если известен элементный химический состав топлива, то его высшую
теплоту сгорания можно рассчитать по формуле Д.И. Менделеева:
Qв = 33 913 · С + 102 995 · Н – 10 885 · (S – O),
(2.3)
где С, Н, S и О – массовые доли в топливе соответственно углерода, водорода, серы и кислорода (цифры перед ними – теплоты сгорания этих
элементов, кДж/кг).
Низшая (рабочая) теплота сгорания – это количество тепла, выделяемого при полном сгорании топлива и охлаждении продуктов сгорания до
температуры топлива, но без конденсации водяного пара, т. к. в реальных
условиях сгорания топлива в двигателе при высокой температуре водяной
пар не конденсируется. Таким образом, низшая теплота сгорания – это разница между высшей теплотой сгорания и теплотой испарения влаги топлива
и воды, образовавшейся при сгорании водорода. Низшую теплоту сгорания
определяют по формуле:
Qн = Qв – 2 500 · (9 · Н + W),
(2.4)
где Qн и Qв – соответственно низшая и высшая теплоты сгорания, кДж/кг;
Н и W – содержание водорода и растворенной в топливе воды, % мас.
Величина высшей теплоты сгорания для бензинов обычно больше низшей примерно на 2 500 кДж/кг.
Удельная теплота сгорания зависит от химического состава авиационного бензина, т. к. углеводороды различных классов имеют разные теплоты
сгорания. Большей высшей теплотой сгорания обладают углеводороды,
имеющие меньшее соотношение С : Н (парафиновые и нафтеновые углево44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дороды), меньшей – углеводороды, имеющие большее соотношение С : Н
(ароматические и олефиновые углеводороды). Наибольшая высшая теплота
сгорания – у парафиновых углеводородов, при этом с увеличением молекулярной массы их теплота сгорания снижается. Наименьшая высшая теплота
сгорания – у ароматических углеводородов, но она увеличивается с увеличением их молекулярной массы. Изомерное строение углеводородов не оказывает существенного влияния на их теплоту сгорания.
Соотношение С : Н определяет в какой-то мере и плотность углеводорода: с увеличением этого соотношения увеличивается плотность. Исходя из
этого Е. Бассом предложена формула для определения низшей теплоты сгорания Qн (в кДж/кг) углеводородного топлива по его плотности, дающая
удовлетворительные результаты для бензинов:
Qн = 2,261 · (22 320 – 3 780·  4 ),
20
(2.5)
20
где  4 – относительная плотность топлива при 20 оС.
В авиационных бензинах нормируется нижний предел низшей удельной теплоты сгорания (не менее 42 947 кДж/кг, или 10 250 ккал/кг).
Йодное число. Этот показатель характеризует наличие в авиационных
бензинах непредельных (олефиновых) углеводородов и в определенной степени указывает на химическую стабильность топлива. Вовлечение в состав
авиабензинов нестабильных бензиновых фракций, содержащих большое количество олефинов, по условиям применения недопустимо.
Максимальное йодное число для разных марок авиабензинов колеблется от 2,0 до 10,0 г йода/100 г бензина и определяется по ГОСТ 2070.
Температура начала кристаллизации. Этот показатель качества
нормируется только для авиационных бензинов и относится к их низкотемпературным свойствам. Введение такого показателя качества для авиационного топлива объясняется низкими температурами окружающего воздуха
при высотных полетах летательного аппарата, способными вызвать выпадение кристаллов наиболее тяжелых углеводородов и нарушить прокачиваемость бензина в топливной системе двигателя.
Температурой начала кристаллизации топлива называется его
максимальная температура, при которой в нем обнаруживаются невооруженным глазом первые кристаллы углеводородов.
Температура начала кристаллизации характеризует предельную температуру фильтрации топлива и должна составлять для авиационных бензинов
величину не выше –60 оС.
Первыми в авиационном бензине при понижении температуры начинают
кристаллизовываться ароматические углеводороды, прежде всего бензол, т. к.
в этом виде топлива содержится очень мало нормальных парафиновых углеводородов, имеющих самую высокую температуру начала кристаллизации.
Определяется этот показатель по ГОСТ 5066.
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Период стабильности. Период стабильности определяется только в
авиационных бензинах и характеризует их химическую стабильность, которая при практически полном отсутствии в этом виде топлива олефиновых
углеводородов определяется наличием тетраэтилсвинца.
В разных марках авиабензинов период стабильности колеблется от
8 до 12 часов и определяется по ГОСТ 6667, по которому бензин, находящийся под давлением насыщенных паров, окисляют кислородом воздуха при
110 оС и находят время от начала разложения ТЭС и помутнения бензина.
Содержание
параоксидифениламина.
Параоксидифениламин
(п-гидроксидифениламин) добавляют в авиационные бензины в количестве
0,002–0,005 % мас. для стабилизации этиловой жидкости при хранении топлива. Его содержание определяют по ГОСТ 7423.
Содержание олефиновых углеводородов. Показатель введен для автомобильных бензинов, начиная с экологического класса 3, и не должен превышать
18,0 % об. Он определяет как химическую стабильность автомобильных бензинов, так и способность олефинов образовывать при хранении и применении
полимерные соединения, в том числе окисленные, которые приводят к повышенным отложениям и нагарообразованию в двигателе.
Содержание олефиновых углеводородов определяют по ASTM D 1319-95.
Содержание марганца. Органические соединения марганца (ЦТМ –
циклопентадиенилтрикарбонил марганца, МЦТМ – метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца) применяют для повышения детонационной стойкости бензинов вместо высокотоксичных алкилсвинцовых антидетонаторов
(ТЭС и ТМС), однако и они, хотя по приемистости близки к ТЭС, приводят к
повышенным отложениям на клапанах, свечах зажигания и в камере сгорания двигателя. Вследствие этого их содержание в бензинах «Нормаль-80» и
«Регуляр-91», выпускаемых по ГОСТ Р 51105, ограничено и составляет соответственно не более 50 и 18 мг/дм3 бензина. В бензинах экологических
классов 3–5 соединения марганца должны отсутствовать.
Содержание соединений марганца определяется по ASTM D 3831-94.
Массовая доля кислорода. Массовая доля кислорода в российских автомобильных бензинах нормативно устанавливается, начиная с экологического класса 3, и составляет не более 2,7 % мас. Этот показатель нормирует
содержание в бензинах кислородсодержащих соединений, которые используются как октаноповышающие добавки, но при этом не являются полностью нетоксичными и экологически безопасными.
Показатель определяется по ЕН 1601-97 и ЕН 13132-2001.
Объемная доля оксигенатов. Показатель нормирует содержание оксигенатов (спиртов и эфиров) в автомобильных бензинах в зависимости от их
токсичности и влияния на теплоты испарения и сгорания топлив и удельный
расход топлива.
Содержание оксигенатов определяют по ASTM D 1319-95.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Индукционный период (устойчивость к окислению). Индукционный
период (начиная с экологического класса 3 – устойчивость к окислению)
характеризует химическую стабильность автомобильных бензинов, которая
оценивается путем их ускоренного окисления при температуре 100 оС и давлении кислорода по ГОСТ 4039 или ЕН ИСО 7536-95. Этими методами определяют индукционный период, т. е. время от начала испытания до начала
процесса окисления бензина. Чем выше индукционный период, тем выше
стойкость бензина к окислению при длительном хранении.
Для разных марок автомобильных бензинов, выпускавшихся по
ГОСТ 2084, минимальный индукционный период колебался от 600 до
1 200 мин, а в бензинах экологического класса 2 и выше устойчивость к
окислению составляет не менее 360 мин, кроме бензинов, предназначенных
для длительного хранения (5 лет) в Государственном резерве и Министерстве обороны РФ и имеющих индукционный период не менее 1 200 мин.
Плотность. Плотность автомобильных бензинов позволяет определять, помимо объема, их массовое количество. Более высокая плотность бензина обеспечивает больший запас хода автомобиля при одном и том же
объеме бака.
Плотность автомобильных бензинов при 15 оС нормируется, начиная с
экологического класса 2, составляет для разных марок бензина 700–780 кг/м3
и определяется по ГОСТ Р 51069.
2.3. Компонентный состав бензинов
Основное количество вырабатываемых промышленностью автомобильных и авиационных бензинов – это продукты переработки нефти и газового
конденсата. В состав товарных бензинов входят различные компоненты,
получаемые на различных технологических процессах: каталитическом и
термическом крекинге, изомеризации, алкилировании, первичной перегонки
нефти и др.
Компоненты бензинов делятся на три основные группы: базовые, высокооктановые и присадки.
Базовые компоненты составляют преобладающую по объему основу
бензина.
Высокооктановые компоненты отличаются от базовых повышенной
детонационной стойкостью и групповым углеводородным составом. Основное назначение этих компонентов – обеспечение требуемого октанового
числа и в необходимых случаях – корректировка углеводородного состава и
испаряемости бензина.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Присадки предназначены для улучшения тех или иных эксплуатационных и экологических свойств бензинов и, как следствие, для расширения
ресурсов базовых и сокращения расхода высокооктановых компонентов.
2.3.1. Базовые компоненты
Базовые компоненты бензинов получают прямой перегонкой жидкого
углеводородного сырья (нефти и газового конденсата), каталитическим риформингом прямогонных бензиновых фракций, каталитическим крекингом и
гидрокрекингом вакуумных газойлей, термическими процессами переработки (крекингом, висбрекингом, термоконтактным крекингом, коксованием)
вакуумных газойлей, газойлей коксования, нефтяных и газоконденсатных
остатков и другого тяжелого углеводородного сырья.
Прямогонные базовые компоненты бензинов с удовлетворительной детонационной стойкостью могут быть получены только из ограниченного ассортимента нефтей, преимущественно нафтенового основания, которые имеют
октановые числа по моторному методу на уровне 70–74. Из нефтей другого основания в качестве базовых компонентов для приготовления бензинов используются лишь низкокипящие прямогонные фракции, выкипающие в пределах
30–62 и 30–85 оС, имеющие октановые числа по моторному методу 60–75.
Прямогонные базовые компоненты автомобильных бензинов могут
использоваться непосредственно в местах добычи нефтей и газовых конденсатов после перегонки последних на малогабаритных установках. Октановые
числа этих бензинов в чистом виде (без добавок антидетонационных присадок и высокооктановых компонентов) невелики и составляют 55–65. Некоторого повышения октановых чисел этих бензинов достигают снижением их
температуры конца кипения.
Катализаты риформинга в настоящее время являются основным базовым компонентом автомобильных и авиационных бензинов. Сырьем каталитического риформинга являются прямогонные фракции, выкипающие в
интервале температур от 62–85 до 180 оС. За счет протекания реакций дегидрогенизации шестичленных нафтеновых углеводородов, дегидроциклизации
нормальных парафиновых углеводородов, превращения пятичленных нафтенов в шестичленные с их последующим дегидрированием и изомеризации
легких нормальных парафинов прямогонные бензиновые фракции превращаются в высокооктановые и высокоароматизированные продукты – базовые компоненты бензинов.
Примерный технологический режим установок каталитического риформинга следующий: температура – 480–520 оС; давление – 1,5–3,5 МПа;
объемная скорость подачи сырья – 1,5–2,0 ч–1; мольное соотношение водород/сырье – (5 : 1)–(9 : 1); кратность циркуляции водородсодержащего газа –
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 500–2 000 м3/м3 сырья; соотношение загрузки стационарного слоя катализатора по реакторам – 1 : 2 : 4. Применяемые катализаторы – окиснометаллические, приготовленные нанесением небольшого количества металла
на огнеупорный носитель (алюмоплатиновые и полиметаллические). Полиметаллические катализаторы представляют собой оксид алюминия, промотированный хлором, с равномерно распределенными по всему объему платиной и металлическими промоторами (рений, кадмий). Температура начала
кипения сырья не ниже 60–62 оС, т. к. более легкое сырье не имеет углеводородов с шестью углеродными атомами, которые могут превращаться в ароматические кольца. Температура конца кипения сырья не выше 180 оС, т. к.
при более высокой температуре конца кипения увеличивается коксообразование и снижается выход бензина.
Каталитический крекинг является одним из основных процессов
получения высокооктановых базовых компонентов автомобильных и авиационных бензинов. В этом процессе из вакуумных газойлей и другого тяжелого нефтяного сырья получают до 50 % мас. бензина и до 20 % мас. легкого
газойля (компонента дизельного топлива). Основные реакции, протекающие
при каталитическом крекинге – это крекинг высокомолекулярных углеводородов в низкомолекулярные, ароматизация, полимеризация, алкилирование,
деалкилирование, изомеризация, перераспределение водорода.
Примерный технологический режим установки каталитического крекинга типа Г-43-107 следующий: температура в реакторе – 490–505 оС, температура в регенераторе – 590–670 оС, давление в реакторе – 0,06–0,24 МПа,
давление в регенераторе – 0,24 МПа, кратность циркуляции катализатора –
6–8, массовая скорость подачи сырья – до 20–22 ч–1 и выше, остаточное содержание кокса на регенерированном катализаторе – 0,15 % и ниже. На российских установках каталитического крекинга используются синтетические
алюмосиликатные катализаторы аморфного и цеолитсодержащего типов.
Продукты каталитического крекинга содержат значительные количества олефинов (иногда до 50 % об.), поэтому бензины каталитического крекинга нуждаются
в химической стабилизации с помощью противоокислительных присадок.
Гидрокрекинг позволяет под высоким парциальным давлением водорода из тяжелого нефтяного сырья получать светлые нефтепродукты. В зависимости от варианта его работы обеспечивается максимальный выход
бензина, реактивного или дизельного топлива.
Химизм процесса гидрокрекинга подобен химизму процесса каталитического крекинга, но благодаря высокому парциальному давлению водорода
подавляются реакции уплотнения и образования кокса.
При бензиновом варианте работы установки гидрокрекинга процесс
проводится в две ступени. Примерный технологический режим установки
следующий: температура в реакторах – 420–430 оС (первая ступень)
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и 400–480 оС (вторая ступень), давление в реакторах – 15–20 МПа, объемная
скорость подачи сырья в реакторы со стационарным слоем катализатора –
1,0–1,5 ч–1, кратность циркуляции водородсодержащего газа –
1 500–1 800 м3/м3 сырья, расход водорода – 50–55 кг/м3 сырья (первая ступень)
и 5–8 кг/м3 сырья (вторая ступень). Применяемые катализаторы на первой ступени – окислы или сульфиды никеля, кобальта и вольфрама, на второй – цеолитсодержащие катализаторы с платиной или другим благородным металлом.
Термические процессы переработки нефтяного и газоконденсатного
сырья (термокрекинг, висбрекинг, термоконтактный крекинг, коксование)
с получением компонентов бензинов основаны на расщеплении высокомолекулярных углеводородов с получением низкомолекулярных. Одновременно с расщеплением идут реакции полимеризации, конденсации, дегидрирования и деалкилирования, в результате чего образуются карбоиды и кокс.
Бензины термических процессов характеризуются высоким содержанием
олефинов и низкой химической стабильностью.
2.3.2. Высокооктановые компоненты
Высокооктановые компоненты делятся на три группы:
1) алифатические: изопентан, изомеризат, алкилат (алкилбензин), метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), этил-трет-бутиловый эфир
(ЭТБЭ), тетраамилметилэфир (ТАМЭ);
2) ароматические: толуол и пиробензол, смеси ароматических углеводородов С8 и выше;
3) низшие спирты: метанол, этанол и изопропанол.
Изопентан и изомеризат получают методом каталитической изомеризации легкого прямогонного бензина (фракция нк-62 (85) оС), в результате
чего значительно (на 30–70 единиц) повышается его октановое число. Процесс изомеризации проводят при температуре 350–400 оС и давлении
3,0–3,5 МПа на катализаторах, содержащих платину, палладий, нанесенные
на оксид алюминия или цеолит. Для активации катализаторы промотируют
фтором или хлором. Для подавления побочных реакций применяют циркуляцию водородсодержащего газа.
Алкилат (алкилбензин) является продуктом процесса алкилирования
изобутана олефинами (преимущественно бутиленами, реже – пропиленами),
протекающего с использованием в качестве катализатора серной или фтористоводородной кислоты. Алкилат представляет собой широкую бензиновую
фракцию, состоящую почти целиком из изопарафиновых углеводородов и
имеющую октановое число по моторному методу 90–98.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Примерный технологический режим процесса сернокислотного алкилирования изобутана олефинами, применяемого в отечественной нефтеперерабатывающей промышленности, следующий: температура – 0–10 оС, давление – 0,3–1,2 МПа (для поддержания всех компонентов реакционной смеси в
жидком состоянии), соотношение изобутан : олефины – от 4 : 1 до 10 : 1, чаще – (6–7) : 1, время контакта – 20–30 мин, удельный расход серной кислоты –
60–100 кг на 1 т алкилата.
Толуол как высокооктановый компонент бензинов вырабатывается из
нефтяного сырья по следующей схеме: каталитический риформинг → стабилизация риформата → экстракция ароматических углеводородов из риформата
водным
раствором
диэтиленгликоля
(триэтиленгликоля,
тетраэтиленгликоля) → разделение ароматических углеводородов на бензол,
толуол, ксилолы и высшие ароматические углеводороды. Рафинат экстракции (деароматизированный бензин) может использоваться в качестве компонента низкооктановых бензинов А-76 или «Нормаль-80».
Пиробензол является продуктом пиролиза нефтяного или газоконденсатного сырья, в результате которого в качестве основного продукта получают газообразные олефины (этилен, пропилен, бутилен, бутадиены) – сырье
для нефтехимии и смолу пиролиза. При переработке смолы пиролиза по топливному варианту она разделяется на легкую, выкипающую до 180 оС, и
тяжелую части. Для получения пиробензола легкая часть гидрируется для
удаления олефинов, и из нее выделяется бензол.
Пиробензол имеет октановое число по моторному методу 75–81, плотность – примерно 850 кг/м3, выкипает в пределах 80–180 оС и на 85 % состоит из ароматических углеводородов.
Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) является высокооктановым кислородсодержащим компонентом автомобильных бензинов. МТБЭ имеет октановое
число по моторному методу 101, по исследовательскому – 117.
Современный промышленный процесс получения МТБЭ основан на
реакции метанола с изобутиленом при температуре 80–100 оС в трубчатом
реакторе со стационарным слоем катализатора (ионообменной смолы).
Применяют также метил-трет-амиловый эфир (МТАЭ), метил-вторпентиловый эфир (МВПЭ), этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ), диизопропиловый эфир (ДИПЭ).
В качестве алифатического компонента автомобильных бензинов используют бутановую фракцию, которую, во-первых, применяют для повышения давления насыщенных паров бензинов, особенно зимних марок,
во-вторых, для некоторого повышения октанового числа. Октановое число
бутановой фракции по моторному методу составляет 90 единиц.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Алифатический высокооктановый компонент бензинов – димат, состоящий из 90 % изогексенов с октановым числом по исследовательскому
методу, равным 97, и высоким давлением насыщенных паров, получают в
процессе «Димерсол». Этот процесс представляет собой жидкофазную координационно-каталитическую димеризацию пропилена в присутствии гомогенного катализатора при комнатной температуре.
В процессе «Гексол», который проводят в присутствии твердого
стационарного катализатора, получают гексат, состоящий до 80 % из изогексенов, имеющий октановое число по исследовательскому методу на
уровне 95–96 единиц и выкипающий в пределах 40–170 оС.
Для производства ароматических высокооктановых компонентов
бензинов существует процесс «Циклар» – дегидроциклизация сжиженных
нефтяных газов (пропана и бутанов) в ароматические углеводороды, выход
которых достигает 64–68 % на сырье. Получаемые ароматические углеводороды имеют широкий фракционный состав – от 90 до 210 оС.
Низшие спирты (метанол, этанол, изопропанол, изобутанол, третбутиловый спирт) могут служить как альтернативными топливами для двигателей с
принудительным воспламенением, так и добавками к автомобильным бензинам.
Некоторые свойства спиртов в сравнении с бензином приведены в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Свойства спиртов и бензина
Показатели
Метанол
Этанол
Изопропанол
Бензин
Относительная плотность
Температура кипения, оС
Температура сгорания, МДж/кг
Теплота испарения, кДж/кг
Октановое число по методам:
– моторному
– исследовательскому
Растворимость в воде, %
0,796
65
20
1 156
0,794
78
27,7
913
0,789
82
30,4
741
0,770
30–180
42,7
180
99
106
88
98
0,02
95
114
94
111
Не ограничена
По таким важным показателям для работы ДВС, как теплоты сгорания
и испарения, спирты значительно уступают углеводородным бензинам, поэтому, даже несмотря на высокие октановые числа, низкую себестоимость
производства и более широкие сырьевые ресурсы, они ограниченно используются в качестве моторного топлива или его компонента. Чаще всего они
находят применение в странах с ограниченными ресурсами углеводородного
сырья (например, в Бразилии).
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В России вместо бензина «Нормаль-80» (ГОСТ Р 51105) применяется
только одна смесь, состоящая из бензина и 5,0–10,0 % об. этанола. Она имеет
название «Бензанол» и выпускается по ГОСТ Р 52201. Допускается также наличие спиртов (от метилового до третбутилового) в количестве 3,0–10,0 % об.
в российских автомобильных бензинах, выпускаемых по ГОСТ Р 51866.
2.3.3. Присадки
При получении автомобильных и авиационных бензинов на нефтеперерабатывающих заводах не всегда удается достичь требуемых эксплуатационных свойств только технологическими приемами при сохранении высокого выхода получаемых продуктов. В связи с этим для получения бензинов
широко применяют различные присадки, улучшающие отдельные эксплуатационные свойства.
Имеется несколько видов присадок к автомобильным и авиационным
бензинам:
– антидетонационные – для повышения октанового числа;
– антиокислительные – для повышения химической стабильности бензинов;
– для улучшения противокоррозионных и защитных свойств бензинов;
– противоизносные;
– моющие;
– антиобледенительные;
– биоцидные (эти присадки не нашли применения в нашей стране, т. к.
российский климат не благоприятствует развитию микроорганизмов в топливах).
Антидетонационные присадки. Антидетонационными присадками
называются вещества, добавление которых в относительно малых количествах (не более десятых–сотых долей процента) существенно повышает детонационную стойкость бензина.
Наиболее эффективные антидетонаторы имеются среди органических
производных свинца, олова, таллия, висмута, селена, теллура, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, хрома и других металлов (алкилы, карбонилы,
внутрикомплексные соли, соединения «сэндвичевого» строения и т. д.).
Способность бензинов к повышению детонационной стойкости при
добавлении антидетонаторов называется приемистостью, которая определяется разностью октановых чисел бензина с добавкой антидетонатора и этого
же бензина в чистом виде.
Алкилсвинцовые присадки. Наиболее распространенной и широко применявшейся в недалеком прошлом антидетонационной присадкой является
тетраэтилсвинец (ТЭС), промышленный выпуск которого начался
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в 1923 году. ТЭС – бесцветная, прозрачная, сильно токсичная жидкость с
плотностью при 20 оС 1 652,4 кг/м3. В воде ТЭС нерастворим, но хорошо растворяется в бензине, спирте, ацетоне и других органических растворителях.
Кипит при температуре 200 оС с разложением.
Механизм действия тетраэтилсвинца заключается в следующем. При
высоких температурах в камере сгорания тетраэтилсвинец полностью разлагается с образованием свинца и этильного радикала:
Pb(C2H5)4 → Pb + 4 C2H5 ·
Далее свинец окисляется с образованием диоксида свинца:
Pb + O2 → PbO2,
который вступает в реакцию с перекисями, разрушая их:
R – CH2 – OOH + PbO2 → R – COH + PbO + H2O + ½ O2.
При этом образуются малоактивные продукты окисления углеводородов и оксид свинца, который, взаимодействуя с кислородом воздуха, снова
окисляется до диоксида свинца, способного реагировать с новой перекисной
молекулой. Таким образом, один атом свинца, восстанавливаясь и окисляясь,
способен разрушить большое число перекисных молекул, которые согласно
цепной теории А.Н. Баха (см. выше) являются причиной детонационного
сгорания бензина.
Наибольшую приемистость к ТЭС имеют парафиновые углеводороды
и содержащие их прямогонные бензины и алкилбензин. Меньшей приемистостью к ТЭС обладают ароматические и олефиновые углеводороды и содержащие их бензины каталитического риформинга и крекинга. Нафтеновые
углеводороды занимают промежуточное положение. Приемистость к ТЭС
для различных бензинов снижается при увеличении содержания в них сернистых соединений, особенно меркаптанов и дисульфидов. Приемистость
бензинов к ТЭС, полученным в разных технологических процессах, приведена в табл. 2.6.
Таблица 2.6
Приемистость бензинов к ТЭС, полученным в различных технологических процессах
Процессы
Октановое число
по моторному методу
Разность
без ТЭС
с 0,82 г/л ТЭС
Каталитический крекинг
78
82
4–5
Каталитический риформинг
83
89
6–10
Алкилирование
90
100
9–10
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 2.6
Октановое число
по моторному методу
Процессы
Разность
без ТЭС
с 0,82 г/л ТЭС
Гидрокрекинг
76
90
12–15
Первичная перегонка нефти
60
75
15–16
Чтобы твердый оксид свинца не откладывался на поверхностях цилиндров и клапанов, к ТЭС добавляют специальное вещество (выноситель),
образующее с оксидом свинца летучее соединение и выносящее его выхлопными газами. В качестве выносителя широко используются галогенсодержащие органические соединения, например, бромэтан C2H5Br, дибромэтан
C2H4Br2 или дибромпропан C3H6Br2. Выноситель при высокой температуре в
камере сгорания разлагается по схеме:
C2H5Br → C2H4· + 2 HBr.
Образовавшийся хлористый бром взаимодействует с продуктами распада
и окисления свинца с получением летучего соединения – бромистого свинца:
PbO + 2 HBr → PbBr + H2O.
Смесь тетраэтилсвинца с выносителем, красителем, антиокислителем и
наполнителем называется этиловой жидкостью, которая вырабатывалась
двух марок: Р-9 с бромэтаном и П-2 с дибромпропаном. Дозировка этиловой
жидкости составляла обычно 1,5–4,0 мл/кг бензина.
Менее распространенным, но весьма эффективным при использовании
в высокоароматизированных бензинах и высокой степени сжатия в двигателе антидетонатором является другое соединение свинца – тетраметилсвинец
(ТМС). Наибольшая эффективность ТМС получена при оценке антидетонационных свойств бензинов в дорожных условиях, наименьшая – при определении октанового числа по моторному и исследовательскому методам.
Эффективность использования ТМС растет с увеличением содержания в
бензинах ароматических углеводородов. Считается, что ТМС выгоднее применять, чем ТЭС, если в бензине содержится более 30 % ароматических углеводородов. Преимуществами ТМС перед ТЭС являются меньшая температура кипения и большее давление насыщенных паров.
В настоящее время в России и других высокоразвитых странах применение алкилсвинцовых антидетонаторов в автомобильных бензинах законодательно запрещено по экологическим соображениям из-за их высокой
токсичности и из-за отравления свинцом катализаторов окислительных нейтрализаторов выхлопных газов двигателя, устанавливаемых вместо глуши55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
телей шума (или в дополнение к ним) и предназначенных для дожига оксида
углерода, углеводородов и продуктов их окисления (в том числе и бензпирена), сажи, оксидов азота и других в менее опасные соединения. В качестве
катализаторов в окислительных нейтрализаторах используют благородные
металлы: платину, платину и палладий, платину и родий – или катализаторы
риформинга бензиновых фракций.
Алкилмарганцевые присадки. Наиболее эффективными антидетонаторами
из этой группы присадок являются циклопентадиенилтрикарбонилмарганец
(ЦТС) С5H5Mn(CO3) и его метильное производное (МЦТМ). Антидетонатор
ЦТМ представляет собой желтый легко сублимирующийся кристаллический
порошок, а антидетонатор МЦТМ – маловязкую жидкость светло-янтарного
цвета с травянистым запахом. Оба антидетонатора имеют примерно одинаковую эффективность и мало отличаются друг от друга при оценке их эксплуатационных свойств. Они в 300 раз менее токсичны, чем ТЭС, хорошо
растворимы в бензине и практически нерастворимы в воде, при низких температурах из бензиновых растворов не выпадают. Эффективность алкилмарганцевых присадок приблизительно одинакова с алкилсвинцовыми антидетонаторами и превосходит их при одинаковой концентрации металлов.
Алкилмарганцевые присадки увеличивают полноту сгорания бензинов и несколько снижают токсичность выхлопных газов. Нагарообразование в двигателе весьма незначительно, однако его постепенное накопление вызывает перебои в работе свечей зажигания, т. к. нагар, содержащий соединения марганца,
при высокой температуре является проводником электрического тока.
Предполагается, что механизм антидетонационного действия алкилмарганцевых присадок такой же, как и алкилсвинцовых.
Использование алкилмарганцевых присадок в малых концентрациях
является более дешевым способом повышения октановых чисел, чем изменения в схемах переработки нефти для получения высокооктановых компонентов или применение МТБЭ.
Марганецсодержащие антидетонаторы в сочетании с выносителями
или преобразователями нагара, с такими антидетонационными добавками,
как спирты и некоторые азотсодержащие соединения, могут рассматриваться
как перспективное средство улучшения качества товарных бензинов, особенно в малых концентрациях марганца.
В России применение алкилмарганцевой присадки МЦТМ допускалось
до 1 января 2003 года при производстве автомобильных бензинов марок «Нормаль-80» и «Регуляр-91» по ГОСТ Р 51105 (концентрация марганца не должна
превышать соответственно 50 и 18 мг/дм3 бензина). В бензинах экологических
классов 3–5 применение алкилмарганцевых присадок запрещено.
Железосодержащие антидетонационные присадки. Высокими антидетонационными свойствами обладает пентакарбонилжелезо (ПКЖ), его комплекс
с диизобутиленом (ДИБ-ПКЖ) и дициклопентадиенилжелезо (ферроцен). ПКЖ
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
представляет собой не растворимую в воде жидкость бледно-желтого цвета
с температурой кипения 102,5 оС и температурой плавления –21 оС. На свету
соединение разлагается с выделением твердого нерастворимого осадка
Fe(CO)5, который при соприкосновении с воздухом самовоспламеняется.
ДИБ-ПКЖ – это комплекс [Fe(CO)5] × (С8H16)5, более стабильный, чем ПКЖ,
но примерно так же эффективный. Ферроцен (С5Н5)2Fe – металлоорганическое
соединение «сэндвичевого» строения, являющееся легковоспламеняющимся
кристаллическим порошком с температурой плавления 174 оС. Ферроцен более эффективен, чем ПКЖ и ДИБ-ПКЖ.
Широкому использованию железосодержащих антидетонационных
присадок препятствует отсутствие эффективных выносителей для оксида
железа, образующегося при сгорании этих присадок и вызывающего при отложении в двигателе его абразивный износ (скорость износа увеличивается
в 5–6 раз). В бензинах экологических классов 3–5 применение железосодержащих присадок запрещено.
Углеводородные антидетонационные присадки. Для повышения детонационной стойкости бензинов применяются и углеводородные вещества.
Их антидетонационный эффект проявляется при значительно больших концентрациях, чем при использовании металлоорганических антидетонаторов.
На первом месте среди углеводородных присадок стоят ароматические амины – анилин и его производные, имеющие более широкое использование:
ксилидин, монометиламин, смесь ароматических аминов «Экстралин», основным компонентом которой является монометиланилин. Однако следует
отметить, что с ужесточением требований к автомобильным бензинам по содержанию ароматических углеводородов перспектива такого способа повышения детонационной стойкости отсутствует.
Вода. Вода, впрыскиваемая во впускную систему двигателя, является
достаточно эффективным средством подавления детонации в нем, хотя сама
и не является антидетонатором. Попадая в горячие камеры сгорания двигателя, она мгновенно испаряется с образованием пара, который далее перегревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании бензина. В результате
температура в камерах сгорания снижается и детали цилиндропоршневой
группы охлаждаются. Вследствие этого уменьшается скорость окислительных реакций образования пероксидных соединений и предотвращается возможность детонационного сгорания топливовоздушной смеси. Впрыск воды
в камеры сгорания снижает требования двигателя к октановому числу
бензина при одной и той же степени сжатия на 7–10 единиц.
Антиокислительные присадки. Для повышения химической стабильности автомобильных и авиационных бензинов, в качестве базовых компонентов которых используются содержащие олефины бензины каталитиче57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ского и термического крекинга, в них добавляют антиокислительные
присадки. Присадки такого типа добавляют и в некоторые марки этилированного авиационного бензина для предотвращения разложения тетраэтилсвинца. Рабочая концентрация антиокислительных присадок – сотые и тысячные доли массового процента.
Наиболее эффективными антиокислительными присадками являются те,
которые обрывают цепной процесс окисления по реакции с пероксидными радикалами. К таковым относятся фенолы, нафтолы, ароматические амины, аминофенолы. Повышая химическую стабильность бензинов, антиокислители
не должны ухудшать другие эксплуатационные свойства и показатели качества.
Для химической стабилизации бензинов термического крекинга в качестве фенольных антиокислителей с 1930–1950-х годов и до настоящего
времени используют фракцию древесной смолы лиственных пород (березы,
бука и др.) с пределами кипения 240–310 оС (древесно-смоляной антиокислитель (ДСА)). Позже начали применять антиокислитель ФЧ-16, представляющий собой фракцию 260–300 оС технических фенолов из подсмольных
вод смолы полукоксования черемховских углей.
Для химической стабилизации автомобильных бензинов, полученных
на основе бензинов каталитического крекинга, применяются антиокислительные присадки на основе фенолов – «Ионол» и «Агидол-12».
«Ионол» (2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол) ранее использовался для
стабилизации гидрооблагороженных реактивных топлив. Он хорошо растворим в бензинах, нетоксичен, не образует окрашенных и выпадающих в осадок продуктов разложения, не вымывается водой. Для стабилизации автомобильных бензинов ионол вводят в концентрации 0,05–0,10 % мас. в расчете
на нестабильные компоненты бензина.
«Агидол-12» добавляется в количестве 0,15 % мас. (на активное вещество бензина). Эта присадка представляет собой 50%-й раствор в толуоле
кубового остатка регенерации метанола при производстве ионола.
Практическое применение в России нашла антиокислительная присадка класса аминофенолов, наиболее эффективная в этилированных бензинах:
п-оксидифениламин (ПОДФА). Она вводится в автомобильные бензины в количестве 0,001–0,010 % мас., а в авиационные – в количестве 0,002–0,005 % мас.
Противокоррозионные и защитные присадки. Противокоррозионные присадки (ингибиторы коррозии) снижают коррозию металла, контактирующего с топливом, независимо от ее вида. Защитные присадки (ингибиторы ржавления) тормозят преимущественно электрохимическую коррозию,
возникающую в присутствии влаги. Большинство противокоррозионных
присадок одновременно относятся к защитным и наоборот.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В подавляющем большинстве случаев противокоррозионные и защитные присадки являются маслорастворимыми и масловодорастворимыми поверхностно-активными веществами (ПАВ). Механизм действия этих присадок заключается в вытеснении адсорбированной пленки воды с поверхности
металла за счет образования прочных водородных связей ПАВ с водой и, таким образом, повышения смачиваемости металлов углеводородами.
В России в качестве противокоррозионных и защитных присадок
успешно испытаны комбинированные защитные присадки к дизельным топливам и бензинам типа ХК и БК, однако для производства бензинов они до
сих пор не применяются. Все отечественные бензины вырабатывались и вырабатываются в настоящее время без специальных противокоррозионных и
защитных присадок. В известной мере этот недостаток компенсируется
ограниченным применением моющих присадок, обладающих также защитными свойствами (см. ниже).
Противоизносные присадки. Этот вид присадок применяется для предотвращения ускоренного износа седел клапанов цилиндров ДВС. Повышение износа седел клапанов связано с прекращением использования в бензинах
алкилсвинцовых антидетонационных присадок и, как следствие, с отсутствием тонкого защитного покрытия, образованного оксидами свинца, формирующегося и возобновляющегося при использовании только этилированных
бензинов. В результате быстрого износа седел клапанов снижается степень
сжатия топливовоздушной смеси, падает мощность двигателя и растет удельный расход топлива.
Снижение скорости износа седел клапанов при применении неэтилированных бензинов достигается за счет использования специальных противоизносных присадок в концентрации около 0,1 % мас., способствующих
формированию защитного слоя на поверхности клапана и его седла, который
предотвращает прямой контакт «металл–металл».
В России для отечественных двигателей проблема износа седел клапанов при применении неэтилированных бензинов отсутствует, по-видимому,
из-за подбора соответствующих материалов при изготовлении двигателей,
отработки конструкций и проведения ресурсных испытаний только на
неэтилированных бензинах. По этой причине в нашей стране производство
противоизносных присадок не налажено.
Моющие присадки. Применение автомобильных бензинов, как уже отмечалось, сопровождается образованием отложений во впускной системе двигателя, особенно в карбюраторе, в топливном баке, на впускных клапанах, а также
нагара в камере сгорания. В двигателях с непосредственным впрыском топлива
повышенное образование отложений наблюдается в форсунках и на впускных
клапанах (в зоне расположения форсунок). Это приводит как к снижению рабочих характеристик двигателя, так и к токсичности выхлопных газов. Наиболее
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эффективным способом борьбы с образованием отложений во впускной системе
двигателя является применение специальных моющих или полифункциональных присадок, добавляемых к бензинам в количестве 0,001–0,10 % мас.
Моющие присадки при высоких (ударных) концентрациях как правило
растворяют и удаляют уже сформировавшиеся отложения при пробеге автомобиля на одной заправке бензина с присадкой, а при малых (рабочих) концентрациях предотвращают или резко ограничивают образование отложений. Механизм действия моющих присадок подобен механизму действия
любого моющего средства и заключается в их способности адсорбироваться
на поверхности раздела фаз «металл–топливо» и значительно уменьшать поверхностное натяжение. Моющие присадки представляют собой масло- и
масловодорастворимые ПАВ, углеводородная часть которых состоит из парафиновых, нафтеновых или ароматических радикалов различного строения
и молекулярной массы. В качестве полярных групп они включают кислород-,
азот-, серо- или фосфорсодержащие фрагменты. Полярные фрагменты определяют способность присадок к адсорбции на поверхности металла и полярных
частичках смолистых отложений, а углеводородные радикалы – растворимость в топливах. Кроме того, присадки обладают также свойством включать «отмываемые» полярные молекулы с поверхности металла в ядра мицелл, образуемых углеводородными радикалами в объеме бензина.
В качестве присадок в промышленных масштабах производятся и применяются азотсодержащие композиции, которые наряду с моющими обладают также антиобледенительными и защитными свойствами, т. е. являются
многофункциональными. К отечественным присадкам этого класса относятся присадки «Афен», «Афен-1» и «Автомаг».
Присадка «Афен» (первоначальное название – «Найк») состоит из амида
полиэтиленполиамина на основе фракции синтетических жирных кислот С10–С16
(10–20 %), оксиэтилированного алкилфенола ОП-7 (10–20 %) и комплексного
растворителя (смесь ксилолов и изопропилового спирта в соотношении 1 : 1).
Присадка «Афен-1» состоит из амида полиэтиленполиамина на основе
дистиллированных нефтяных кислот (10–20 %), оксиэтилированных алкилфенолов – неонола (10–20 %) и растворителя – веретенного или индустриального масла.
Присадка «Автомаг» представляет собой композицию амида полиэтиленполиамина (5 %), оксиэтилированных алкилфенолов – неонола (5 %), денормализата – фракции дизельного топлива после удаления из него нормальных парафинов (60 %) и бутилового спирта (30 %).
Имеются также моющие присадки под наименованиями «АлькорАвто», «Неолин», «Паливин» и др.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
За рубежом разработаны моющие присадки – очистители впускных клапанов двигателей с непосредственным впрыском топлива. Все они представляют собой полибутенамины, растворенные в нефтяном масле (или в смеси
нефтяного масла с синтетическим). Среди отечественных таких присадок нет.
Моющие присадки обязательны к применению в отечественных автомобильных бензинах экологических классов ЕВРО-3 и ЕВРО-4 только в том
случае, если отложения на впускных клапанах и в камере сгорания, определенные на нефтеперерабатывающих заводах при производстве бензинов, будут превышать максимально допустимые отложения для соответствующих
классов европейских бензинов.
Антиобледенительные присадки. Высокая испаряемость бензина
может стать причиной обледенения карбюратора в условиях высокой влажности при температуре окружающего воздуха около 4 оС. Снижая испаряемость бензина, можно предотвратить обледенение карбюратора, но при этом
ухудшатся пусковые свойства бензина. В связи с этим в зимние марки бензинов вводят антиобледенительные присадки, к которым в нашей стране относятся упоминавшиеся выше присадки «Афен», «Афен-1» и «Автомаг».
2.4. Современные ассортимент и марки бензинов
Автомобильные бензины. В настоящее время в России действуют четыре стандарта на автомобильные бензины: ГОСТ 2084, ГОСТ Р 51105,
ГОСТ Р 51866 и ГОСТ Р 52201. Первый из этих стандартов предусматривает
производство как этилированных, так и неэтилированных бензинов (табл. 2.7).
Согласно ГОСТ 2084 (табл. 2.7):
1) для бензинов всех марок: испытание на медной пластинке – выдерживает; содержание водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды – отсутствие; плотность при 20 оС не нормируется, определение
обязательно;
2) для городов и районов, а также предприятий, где главным санитарным врачом запрещено применение этилированных бензинов, предназначаются только неэтилированные;
3) допускается вырабатывать бензин, предназначенный для применения в южных районах, со следующими показателями по фракционному
составу: 10 % перегоняется при температуре не выше 75 оС, 50 % – при температуре не выше 120 оС;
4) для бензинов, изготовленных с применением компонентов каталитического риформинга, допускаемая температура конца кипения не выше
205 оС – для летнего, не выше 195 оС – для зимнего.
Хотя этот стандарт пока законодательно не отменен, на нефтеперерабатывающих заводах выпуск бензинов по нему прекращен.
61
Требования к автомобильным бензинам по ГОСТ 2084
Таблица 2.7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
*
– не нормируется.
Окончание табл. 2.7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГОСТ Р 51105 введен в действие с 1 января 1999 года и отвечает требованиям к автомобильным бензинам по экологическому классу 2 – ЕВРО-2
(табл. 2.8). Следует отметить, что выпуск бензинов с марганцевыми антидетонационными присадками, которые предусматривал этот стандарт, прекращен с
1 января 2003 года. При производстве автобензинов разрешено применять кислородсодержащие компоненты, другие высокооктановые добавки, а также антиокислительные и моющие присадки, улучшающие экологические показатели
бензинов и допущенные к применению. В зависимости от климатического района применения бензины разделены по испаряемости на пять классов, причем
для более холодных климатических зон и зимних марок бензинов предусмотрено более высокое давление насыщенных паров (табл. 2.9).
Гарантийный срок хранения бензинов – один год, кроме бензинов,
предназначенных для хранения в Государственном резерве и хранилищах
Министерства обороны РФ.
С 1 января 2002 года введен в действие ГОСТ Р 51866, по которому
предусматривается выпуск неэтилированных автомобильных бензинов, отвечающих требованиям экологического класса 3 – ЕВРО-3 (табл. 2.10).
В этих бензинах ограничено предельное содержание олефиновых и ароматических углеводородов, по сравнению с ГОСТ Р 51105 снижено содержание
бензола с 5,0 до 1,0 % об. и не предусматривается использование алкилсвинцовых и алкилмарганцевых антидетонационных присадок. По этому стандарту разрешается в установленных концентрациях применять оксигенаты,
начиная от метанола и этанола и заканчивая эфирами С5 и выше. Для различных климатических зон выпускаются бензины по 10 классам испаряемости (A, B – летние классы, C, D, E, F – зимние классы, C1, D1, E1, F1 – переходные классы) (табл. 2.11).
Гарантийный срок хранения бензинов по этому стандарту – один год
со дня изготовления.
Базовыми компонентами при производстве автомобильных бензинов
являются бензины каталитического крекинга и (или) каталитического риформинга. Бензины таких процессов, как термический крекинг, висбрекинг и
замедленное коксование, имеют низкое октановое число и химическую стабильность, высокое содержание серы и в настоящее время не используются
или используются ограниченно только для получения бензинов с октановым
числом по моторному методу не выше 76 единиц.
При приготовлении автомобильных бензинов в качестве высокооктановых компонентов используют изомеризаты легких прямогонных фракций,
алкилбензин, изооктан, изопентан и толуол, частично – бутан (в основном
для коррекции давления насыщенных паров).
Состояние бензинового фонда в России, США и странах Западной
Европы в 2005 году приведено в табл. 2.12.
64
Примечания:
1. Концентрацию марганца определяют только для бензинов, содержащих марганцевый антидетонатор (МЦТМ).
2. Автомобильные бензины, предназначенные для длительного хранения (5 лет) в Госрезерве и Министерстве обороны, должны
иметь индукционный период не менее 1 200 мин.
3. Автомобильный бензин марки «Регуляр-91» разрешалось поставлять до 1 января 2003 г.
4. Поставка автомобильных бензинов с марганцевым антидетонатором разрешалась до 1 января 2003 г.
5. Не допускается поставка автомобильных бензинов, содержащих марганцевый антидетонатор, в города и районы, где запрещено
использование этилированных бензинов.
Требования к автомобильным бензинам по ГОСТ Р 51105
Таблица 2.8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
65
Требования к испаряемости автомобильных бензинов по ГОСТ Р 51105
Таблица 2.9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
66
Примечания:
*
– должны быть добавлены стабилизирующие агенты;
**
– могут быть добавлены стабилизирующие агенты.
Требования к автомобильным бензинам по ГОСТ Р 51866
Таблица 2.10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
67
Классы испаряемости автомобильных бензинов по ГОСТ Р 51866
Таблица 2.11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 2.12
Показатели бензинового фонда в 2005 году
Страны
Показатели
Западная
Россия
США
Европа
Компонентный состав, % об.:
– бутаны
5,7
7,0
5,0
– риформат
54,2
34,0
48,2
– бензиновые фракции каталитического
крекинга
20,0
35,5
27,0
– изомеризат
1,5
5,0
5,0
– алкилат
0,3
11,2
5,0
– оксигенаты
0,5
3,6
2,0
– бензиновые фракции прямой перегонки,
гидрокрекинга и гидроочистки
13,3*
3,1
7,3
– бензиновые фракции термических процессов
4,9
0,6
0,5
Октановый индекс (среднее арифметическое
между октановыми числами по моторному
82
91
90
и исследовательскому методам)
Содержание:
– свинец, г/л
–
–
–
– сера, % мас.
0,05
0,003
0,005
– ароматические углеводороды (общее), % об.
42
31
35
*
– в России доля компонентов гидрокрекинга и гидроочистки в общем бензиновом
фонде незначительна.
В России с 1 июля 2004 года действует ГОСТ Р 52201, по которому
предусматривается выпуск автомобильных бензинов, названных бензанолами, содержащих в своем составе от 5,0 до 10,0 % об. этанола (табл. 2.13).
Этот вид топлива предназначен для автомобильных ДВС с принудительным зажиганием топливовоздушной смеси, кроме двигателей для военной и специальной техники и двухтактных двигателей. В связи с тем, что
бензанолы обладают повышенной коррозионной агрессивностью из-за наличия в них этанола, стандартом предусмотрен тест по определению степени
коррозии стального стержня из стали марки Ст. 3, подвергшегося воздействию дистиллированной воды при 38 оС в течение четырех часов.
Таблица 2.13
Требования к бензанолам по ГОСТ Р 52201
Показатели
Октановое число (детонационная стойкость), не менее:
– по исследовательскому методу
– по моторному методу
Концентрация свинца, мг/дм3, не более
Объемная доля этанола, %
Массовая доля кислорода, %, не более
Давление насыщенных паров, кПа
Значение
80
76
5
5,0–10,0
3,5
45–100
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 2.13
Показатели
Фракционный состав:
– объемная доля испарившегося бензанола, %, при
температуре не менее:
– 70 оС
– 100 оС
– 150 оС
– конец кипения бензанола, оС, не более
– остаток в колбе, % (по объему), не более
Концентрация серы, мг/кг, не более
Объемная доля бензола, %, не более
Степень коррозии стального стержня (сталь марки Ст. 3
при 38 оС в течение 4 ч в присутствии дистиллированной
воды), баллы, не более
Фазовая стабильность (температура помутнения) бензанола, оС, не выше:
– на месте производства:
– для летнего вида
– для зимнего вида
– на месте применения:
– для летнего вида
– для зимнего вида
Значение
20,0–50,0
46,0–71,0
75,0
210
2
500
5,0
1
–10
–30
–5
–25
Авиационные бензины. Ассортимент и марки российских авиационных
бензинов, а также предъявляемые к ним требования приведены в табл. 2.14.
Авиационные бензины могут выпускаться по ГОСТ 1012 и трем техническим условиям, причем по ТУ 38.401-58-197-97 предусмотрено производство малоэтилированного бензина марки Б-100/130 с концентрацией тетраэтилсвинца 1 г/кг бензина.
Бензин Б-91/115 предназначен для эксплуатации двигателей АШ-62ир,
АИ-26В, М-14Б, М-14П и М-14В-26, а бензин Б-95/130 – двигателей АШ-82Т
и АШ-82В. Бензин Б-92 без нормирования показателя «сортность на богатой
смеси» является единым бензином и может применяться взамен бензина
Б-91/115 в двигателях всех типов.
В России вырабатывают две марки авиабензинов: Б-91/115 и Б-92.
В связи с тем, что к авиационным бензинам предъявляются более жесткие
требования, чем к автомобильным, в их состав входят компоненты ограниченного числа технологических процессов переработки нефти: прямой перегонки нефти, каталитического риформинга, алкилирования, ароматизации,
изомеризации. Продукты вторичных процессов, содержащие олефиновые
углеводороды, для получения авиационных бензинов не используются.
Следует также отметить, что неэтилированный бензин марки Б-70 в настоящее время применяется в основном как бензин-растворитель и готовится на
основе бензина прямой перегонки или рафинатов каталитического риформинга с добавлением высокооктановых компонентов.
70
Требования к показателям качества авиационных бензинов
Таблица 2.14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Базовым компонентом для выработки авиационных бензинов Б-92 и
Б-91/115 обычно являются катализаты каталитического риформинга. В качестве высокооктановых компонентов в авиабензины добавляют алкилбензин,
изооктан, изопентан и толуол, а в качестве антидетонационных присадок –
тетраэтилсвинец в количестве от 1,0 до 3,1 г на 1 кг бензина. Для стабилизации этиловой жидкости при хранении авиабензинов добавляется антиокислитель параоксидифениламин или «Агидол-1».
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите общие требования, предъявляемые к современным товарным
бензинам.
2. Какие требования, связанные с работой двигателя, предъявляются к
современным бензинам?
3. Какие эксплуатационные и экологические требования предъявляются к
современным бензинам?
4. Какие экологические классы установлены для автомобильных бензинов
техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту»? По каким основным показателям качества эти классы различаются?
5. Назовите основные нормируемые показатели качества, установленные для
автомобильных и авиационных бензинов.
6. Дайте определение октановому числу бензинов. Чем различаются октановые числа бензинов, определенные по моторному и исследовательскому методам? Постройте убывающий ряд детонационной стойкости различных групп
углеводородов.
7. Дайте определение сортности авиационного бензина.
8. Дайте определение фракционному составу нефтепродуктов и охарактеризуйте его влияние на эксплуатационные свойства бензинов.
9. Почему в товарных автомобильных бензинах ограничивается содержание
общей серы, ароматических углеводородов и бензола?
10. Какие высокооктановые компоненты добавляют в товарный бензин,
и для каких целей применяются различные присадки?
11. Назовите современный ассортимент и марки автомобильных бензинов.
12. Назовите современный ассортимент и марки авиационных бензинов.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА
3
ТОПЛИВА ДЛЯ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Подавляющее большинство современной авиационной техники – самолетов и вертолетов – оснащены воздушно-турбинными двигателями, которые
работают на реактивных топливах. Масса топлива в общей массе взлетающего
самолета составляет от 30 до 60 %, что делает его роль чрезвычайно важной.
Характерной особенностью применения топлив в авиации являются
повышенные требования к безотказности работы летательной техники. Это
предопределяет требования к качеству реактивных топлив, а также необходимость всесторонней информированности об их свойствах.
К современным топливам для воздушно-реактивных двигателей предъявляются следующие основные требования:
– хорошая испаряемость для обеспечения полноты сгорания;
– возможность надежного запуска двигателя в любых условиях;
– высокие полнота (без дыма и нагара) и теплота сгорания, определяющие дальность и скорость полета летательного аппарата;
– хорошие прокачиваемость и низкотемпературные свойства для обеспечения подачи топлива в камеру сгорания двигателя;
– низкая склонность к образованию отложений и высокая химическая
и термоокислительная стабильность;
– низкая коррозионная агрессивность по отношению к металлам и отсутствие воздействия на резинотехнические изделия, применяемые в летательном аппарате;
– хорошие противоизносные свойства, предупреждающие быстрый
износ деталей топливной аппаратуры;
– антистатические свойства, препятствующие накоплению зарядов статического электричества, что обеспечивает пожаробезопасность при заправке летательных аппаратов.
Другое название реактивных топлив – авиационные керосины.
Мировое производство реактивных топлив составляет примерно 5 %
от объема перерабатываемой нефти (2 % – в Западной Европе, 7 % –
в США). В мирное время военная реактивная авиация потребляет около 10 %
общих ресурсов реактивных топлив.
3.1. Общие требования к реактивным топливам
Общие требования к реактивным топливам, как и к современным бензинам, делятся на четыре группы: требования, связанные с работой двигателя;
требования эксплуатации; требования, обусловленные необходимостью и возможностью массового производства; экологические требования.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.1.1. Требования, связанные с работой двигателя
Для нормальной и эффективной работы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) необходимо следующее:
1. Топливо должно обеспечивать максимально возможные дальность и
высоту полета летательного аппарата при ограниченном объеме его топливных баков. Это определяется плотностью и теплотой сгорания реактивного
топлива, которые должны быть максимальными.
2. Горение топлива в камере сгорания должно быть устойчивым на
всех режимах работы двигателя с необходимыми мощностными, экономическими и экологическими показателями. Это обеспечивается соответствующей испаряемостью топлива при минимальной склонности при этом к образованию паровых пробок, его химическим составом и прокачиваемостью по
топливной системе летательного аппарата, особенно при низких температурах в условиях высотного полета. Это требование регламентирует фракционный и групповой углеводородный состав реактивного топлива, содержание
в нем механических примесей и воды, низкотемпературные свойства и др.
3. Применяемое в ВРД топливо должно позволять создавать однородную топливовоздушную смесь необходимого состава при любых скоростях и
высотах полета и температурах окружающего воздуха, обеспечивать хорошие пусковые характеристики при любых температурах, быстрый прогрев и
высокую приемистость (переход с одного режима работы на другой), надежную работу форсунок, минимальное образование отложений в камере сгорания и на других деталях двигателя. Это требование регламентирует такие
показатели качества бензинов, как испаряемость (фракционный состав и
давление насыщенных паров), вязкость при разных температурах, высота
некоптящего пламени, содержание смол и мыл нафтеновых кислот и др.
4. Топливо должно обладать химической стабильностью, обеспечивать
минимальную скорость износа деталей и узлов топливной системы летательного аппарата, не должно вызывать разрушений конструкционных материалов, резинотехнических изделий и герметиков и должно быть коррозионно-неагрессивным. Эти показатели определяются термоокислительной
стабильностью, содержанием общей и меркаптановой серы, сероводорода,
водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды и др.
3.1.2. Эксплуатационные требования
После выработки на нефтеперерабатывающих заводах реактивное топливо транспортируется потребителю трубопроводным, железнодорожным,
водным и автомобильным транспортом и хранится в резервуарах заводаизготовителя, нефтебаз различного назначения и складов горючесмазочных
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
материалов на аэродромах и в аэропортах. Транспортирование, хранение и
применение реактивного топлива непосредственно в летательных аппаратах
происходит при температурах окружающего воздуха от –60 оС до +40 – 45 оС.
В связи с этим состав реактивного топлива должен исключать возникновение трудностей при выполнении всех перечисленных операций в любых
климатических условиях и при этом сохранять свои основные эксплуатационные показатели качества с наименьшими потерями.
При заправках авиационной техники возникает опасность накопления
зарядов статического электричества в объеме топлива, что при проскоке искры может вызвать пожар. Пожар, в том числе в полете, может возникнуть и
при повышенном содержании в топливе легкоиспаряющихся примесей, пары
которых накапливаются в закрытых объемах летательного аппарата (топливный бак, фильтры и др.) или в резервуарах при хранении и могут вспыхнуть
при малейшей искре или от нагретой поверхности.
Требования эксплуатации регламентируют такие свойства реактивных
топлив, как химическая стабильность при хранении, температура вспышки в
закрытом тигле, вязкостно-температурные характеристики, удельная электрическая проводимость при 20 оС и при температуре заправки техники, содержание механических примесей и воды, склонность к потерям от испарения и
способность образовывать паровые пробки в трубопроводах, растворимость
воды и воздуха, содержание коррозионно-агрессивных соединений и др.
3.1.3. Требования производства
В отличие от бензинов и других моторных топлив реактивные топлива
однокомпонентные, получаемые без смешения разных компонентов. Их производят выделением соответствующей фракции при первичной перегонке нефти.
Для отдельных марок реактивного топлива допускается гидрооблагораживание
полученных при первичной перегонке нефти фракций для очистки от сернистых соединений, кислот и части ароматических углеводородов.
Запрет на смешение различных компонентов при производстве реактивных топлив объясняется тем, что разность химического состава и природы происхождения этих компонентов может привести к непрогнозируемым
нежелательным изменениям качества топлива в полетных условиях и, как
следствие, к нарушениям в работе топливной системы и двигателя летательного аппарата, а в конечном итоге – к аварии или даже к катастрофе.
По фракционному составу реактивное топливо выкипает между бензиновыми и дизельными фракциями, при этом в нем содержатся как часть
тяжелого бензина, так и часть дизельного топлива. В связи с этим при производстве реактивного топлива на нефтеперерабатывающих заводах снижают75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ся отборы дорогостоящих бензинов и дизельных топлив, и нефтепереработчики заинтересованы в том, чтобы отпускная оптовая цена реактивного топлива могла компенсировать потери от недовыпуска упомянутых видов
продукции. Отбор фракций реактивного топлива в зависимости от свойств
перерабатываемой нефти составляет от 5 до 12 % мас. на нефть.
Производители реактивного топлива также заинтересованы в том, чтобы оно могло вырабатываться из возможно большего ассортимента нефтей,
но на это требование накладываются ограничения из-за специфичности
свойств топлива и однокомпонентности его состава, а также невозможности
применения различных облагораживающих процессов (кроме ограниченного
применения гидрогенизационных) для его производства.
Таким образом, требования производителей реактивных топлив ограничивают, с одной стороны, требования авиамоторостроителей на определенном, оптимальном с точки зрения экономической целесообразности,
уровне, достижимом при использовании соответствующего углеводородного
сырья и современной технологии производства из него этого вида топлива, с
другой стороны, высокие требования моторостроителей к качеству реактивных топлив не позволяют нефтепереработчикам значительно отступать от
существующей технологии их производства.
3.1.4. Экологические требования
Воздействие авиакеросинов, как и всех других нефтепродуктов, на окружающую среду связано с токсичностью составляющих их углеводородов
и неуглеводородных примесей как в жидком, так и в парообразном состоянии, при этом токсичностью обладают и многие продукты их сгорания.
По принятой классификации этот вид топлива относится к веществам,
обладающим наркотическим действием и поражающим главным образом
центральную нервную систему. Оно повышает возбудимость человека, вызывает головокружение, сердцебиение, вегетативные расстройства, общую
слабость, нередко потерю сознания; при длительном воздействии возможна
липоидная пневмония.
Токсичность реактивных топлив обусловливается их химическим и
фракционным составом и тем выше, чем больше в них содержится ненасыщенных (в частности, ароматических) углеводородов и сероорганических
соединений. Токсичность топлива возрастает также с повышением давления
насыщенных паров и понижением температуры начала кипения. В целом же
токсичность реактивных топлив ниже, чем бензинов.
По экологическим требованиям с целью защиты окружающей среды и
человека реактивные топлива должны храниться в резервуарах с минимальным выходом паров в атмосферу при «больших» и «малых» дыханиях, розливы должны немедленно убираться и т. д.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Экологические требования к реактивным топливам постоянно ужесточаются. Техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных
двигателей и топочному мазуту», утвержденным Постановлением Правительства РФ от 27.02.2008 г. № 118, установлены требования к характеристикам топлива для реактивных двигателей (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Требования к характеристикам топлива для реактивных двигателей
Нормы в отношении
Характеристики
Кинематическая вязкость при
температуре –20 оС, не более
Температура начала кристаллизации, не выше
или
температура замерзания,
не выше
Содержание механических примесей и воды
Фракционный состав:
– 10 % отгоняется при температуре, не выше
– 90 % отгоняется при температуре, не выше
– остаток от разгонки,
не более
– потери от разгонки, не более
Высота некоптящего пламени,
не менее
Температура вспышки в закрытом тигле, не ниже
Объемная доля ароматических
углеводородов, не более
Содержание фактических смол,
не более
Массовая доля общей серы,
не более
Массовая доля меркаптановой
серы, не более
Единица
измерения
мм2/с
о
С
–
летательных аппаратов с дозвуковой
скоростью полета
летательных
аппаратов со
сверхзвуковой
скоростью
полета
8
16
–50
–50
–47
–47
Отсутствие
Отсутствие
о
С
205
220
о
С
300
290
%
%
1,5
1,5
Не нормируется
Не нормируется
мм
25
20
о
С
28
28
%
25
25
мг/100 см3
7
7
%
0,25
0,1
%
0,003
0,001
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 3.1
Нормы в отношении
Характеристики
Термоокислительная стабильность при контрольной температуре, не ниже:
– перепад давления на фильтре,
не более
– цвет отложений на трубке,
баллы по цветовой шкале (при
отсутствии нехарактерных отложений), не более
или
термоокислительная стабильность в динамических условиях:
– температура начала образования отложений, не ниже
– индекс термостабильности,
не более
– скорость забивки контрольного фильтра, не более
Удельная электрическая проводимость:
– без антистатической присадки, не более
– с антистатической присадкой
летательных аппаратов с дозвуковой
скоростью полета
летательных
аппаратов со
сверхзвуковой
скоростью
полета
С
260
275
мм рт. ст.
25
25
–
3
3
С
80
150
–
6
2
кПа/мин
0,5
0,2
10
50–600
10
50–600
Единица
измерения
о
о
пСм/м
3.2. Основные нормируемые показатели качества
реактивных топлив
К основным нормируемым показателям качества реактивных топлив
относятся:
– плотность при 20 оС;
– фракционный состав по ГОСТ 2177;
– вязкостно-температурные свойства (кинематическая вязкость при
разных температурах);
– низшая теплота сгорания;
– высота некоптящего пламени;
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– кислотность;
– йодное число;
– температура вспышки в закрытом тигле;
– температура начала кристаллизации;
– термоокислительная стабильность в статических и динамических условиях;
– содержание фактических смол;
– массовая концентрация ароматических и нафталиновых углеводородов, общей и меркаптановой серы, сероводорода, водорастворимых кислот и
щелочей, механических примесей и воды;
– испытание на медной пластинке;
– зольность;
– люминометрическое число;
– взаимодействие с водой;
– удельная электрическая проводимость;
– давление насыщенных паров.
Плотность. Плотность – важнейшее физическое свойство топлива, характеризующее его энергетические свойства; определяется по ГОСТ 3900.
Плотность – это отношение массы топлива к занимаемому им
объему при определенной температуре.
Стандартами на реактивные топлива регламентируется минимально
допустимое значение плотности при температуре 20 оС. Чем выше плотность топлива, тем большее массовое количество его войдет в топливные баки, имеющие ограниченный объем, и тем больше будут скорость и дальность
полета летательного аппарата. Топливо с большей плотностью имеет и большую объемную теплоту сгорания.
Плотность топлива зависит от его фракционного и химического состава.
При увеличении содержания тяжелых фракций, ароматических углеводородов и уменьшении содержания парафиновых углеводородов плотность топлива повышается. Однако при повышении содержания тяжелых фракций и
ароматических углеводородов могут не соблюдаться другие нормируемые
показатели качества (например, теплота сгорания, зольность и др.), поэтому
существуют определенные пределы повышения плотности этим способом.
Наиболее предпочтительны в этом отношении нафтеновые углеводороды,
которые имеют промежуточные между парафиновыми и ароматическими
углеводородами значения плотности, но при этом обладают высокими значениями теплоты сгорания (из-за высокой насыщенности их молекул водородом) и рядом других желательных для реактивных топлив характеристик.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оптимальный состав реактивного топлива, имеющего максимальные
энергетические свойства, следующий: содержание нафтенов – 60–80 %, изопарафиновых углеводородов – 15–30 %, ароматических углеводородов –
5–10 %. Чем больше плотность топлива, тем ближе у него значения массовой
и объемной теплот сгорания.
Фракционный состав.
Фракционным составом называется зависимость количества выкипающего продукта, выраженного в массовых или объемных процентах от общего количества взятого продукта, от температуры кипения.
Фракционный состав реактивных топлив определяется в основном
нормами на плотность, вязкость и температуру начала кристаллизации и в
зависимости от конкретной нефти подбирается таким, чтобы обеспечить выполнение норм на эти показатели качества. Но в стандартах указаны предельные значения температур кипения топлива. В связи с этим производство
реактивного топлива возможно не из всех нефтей.
Так же, как и в бензинах, фракционный состав характеризует испаряемость авиакеросинов. Температура начала кипения топлива обусловливает
его склонность к образованию паровых пробок в топливной системе и пусковые свойства, температура перегонки 10 % топлива – его пусковые свойства, 50 % – приемистость (устойчивость работы двигателя при переходе с
одного режима работы на другой), 90 и 98 % – полноту испарения и сгорания
топлива. Следует отметить, что в реактивных топливах для авиации с дозвуковой скоростью полета нормируется обычно верхний предел температуры
начала кипения для обеспечения легкого запуска двигателя, а для авиации со
сверхзвуковой скоростью полета – нижний предел этой температуры во избежание образования паровых пробок при аэродинамическом нагреве самолета при больших скоростях полета. Для топлива марки РТ, которое может
применяться как в дозвуковой авиации, так и на самолетах с ограниченной
дальностью полета на сверхзвуковых скоростях (до 1 800 км/ч), нормируются верхний и нижний пределы температуры начала кипения.
Фракционный состав реактивных топлив определяется по ГОСТ 2177.
Вязкостно-температурные свойства. Вязкостно-температурные свойства характеризуют прокачиваемость реактивного топлива при его перекачках и заправках летательных аппаратов, прохождении по топливной системе,
включая и его фильтруемость через фильтры.
Прокачиваемость – это свойство топлива, обеспечивающее его
бесперебойную подачу в строго определенном объеме.
Вязкостно-температурные свойства реактивных топлив определяются их
кинематической вязкостью при +20 и –40 оС. При 20 оС нормируется нижний
предел кинематической вязкости во избежание повышенного износа плунжер80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ных насосов и другой топливной аппаратуры. При –40 оС нормируется верхний
предел кинематической вязкости во избежание нарушения нормальной заправки летательных аппаратов топливом и его подачи в двигатель при более высокой вязкости. Прокачка высоковязких топлив по топливной системе самолета и
вертолета и их двигателей сопровождается высокими гидравлическими потерями, уменьшением подачи подкачивающих топливных насосов, нарушением
нормальной работы топливорегулирующей аппаратуры, снижением давления
впрыска топлива, ухудшением качества его распыливания в камере сгорания и,
как следствие, снижением полноты сгорания.
Отрицательные последствия высокой вязкости топлива проявляются
не только для топлив, предназначенных для дозвуковой авиации, но и для
топлив сверхзвуковых самолетов при перекачках и заправках, в условиях
взлета и набора высоты, а также в тех случаях, когда температура топлива
не успевает повыситься до таких значений, как, например, при аэродинамическом нагреве фюзеляжа самолета при сверхзвуковом полете.
Таким образом, следует отметить, что вязкостно-температурные характеристики определяют не только прокачиваемость реактивных топлив, но
и их противоизносные свойства.
Кинематическая вязкость определяется по ГОСТ 33.
Низшая теплота сгорания.
Удельной теплотой сгорания называется количество теплоты,
выделяемой при полном сгорании единицы массы или объема топлива.
Этот показатель характеризует потенциальный запас энергии в реактивном топливе. Для него нормируется нижний предел низшей теплоты сгорания. С повышением низшей теплоты сгорания уменьшается удельный
расход топлива и возрастает дальность полета самолета или вертолета.
Различают массовую и объемную теплоты сгорания. Для дозвуковой авиации, где объем топливных баков строго не ограничен, основное значение имеет
массовая теплота сгорания. В сверхзвуковых самолетах, где объем топливных
баков жестко лимитирован, превалирующее значение приобретает объемная теплота сгорания. Однако для всех марок реактивных топлив регламентируется
массовая теплота сгорания. Значения объемной теплоты сгорания топлива регламентируют косвенно, т. к. она равна произведению массовой теплоты сгорания топлива на его плотность. Для топлив, предназначенных для сверхзвуковых
самолетов, необходимо иметь более высокие значения объемной теплоты сгорания, поэтому их плотность устанавливается на более высоком уровне, чем плотность топлив для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью полета.
Удельная теплота сгорания зависит от химического состава реактивного топлива, т. к. углеводороды различных классов имеют разные теплоты
сгорания. Большей массовой теплотой сгорания обладают углеводороды,
имеющие меньшее соотношение С : Н (парафиновые и нафтеновые углеводороды), меньшей – углеводороды, имеющие большее соотношение С : Н
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(ароматические и олефиновые углеводороды). Наибольшая массовая теплота
сгорания у парафиновых углеводородов, при этом с увеличением молекулярной массы она снижается. Наименьшая массовая теплота сгорания у ароматических углеводородов, но она увеличивается с увеличением их молекулярной массы. Изомерное строение углеводородов не оказывает существенного влияния на их теплоту сгорания.
Объемная теплота сгорания углеводородов зависит от их массовой
теплоты сгорания и плотности. Ароматические углеводороды имеют наиболее высокие значения плотности, особенно нафталиновые, и их объемная теплота сгорания существенно выше, чем нафтеновых и парафиновых углеводородов. При сгорании топлива с высокой объемной теплотой сгорания требуется большее количество воздуха, в результате чего образуется большая
масса продуктов сгорания и увеличивается реактивная тяга.
Влияние массовой и объемной теплот сгорания трех реактивных топлив,
имеющих одинаковую массовую теплоту сгорания, но разные плотности, на
относительную дальность полета самолета иллюстрируют данные, приведенные в табл. 3.2, в которой за 100 % принята дальность полета на самом
тяжелом топливе.
Таблица 3.2
Влияние низшей теплоты сгорания на дальность полета
Номер топлива
Плотность,
кг/м3
I
II
III
810
800
775
Теплота сгорания
10–3кДж/кг
10–3кДж/л
42,8
42,8
42,8
35,5
34,2
33,2
Дальность
полета, %
100,0
98,8
95,6
Экспериментальное определение теплоты сгорания топлив очень сложно
и длительно. Для оперативного определения теплоты сгорания реактивных
топлив существует стандартный расчетный метод (ГОСТ 11065), по которому низшую теплоту сгорания определяют по формуле:
Q рн = [9 940 + (ta + 17,8) · K] · 4,1868,
(3.1)
где ta – анилиновая точка, оС; К – коэффициент, вычисляемый по формуле:
K=
15,65
 14,56 ,
 20 10  3  4,44  
(3.2)
где ρ20 – плотность топлива при 20 оС, кг/м3; β – средняя температурная
поправка к плотности по ГОСТ 3900.
В табл. 3.3 приведены значения К, вычисленные по формуле (3.2) с погрешностью менее 0,6 %.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.3
Значение коэффициента К в зависимости от плотности
реактивного топлива при 20 оС
ρ20, кг/м3
К
ρ20, кг/м3
К
ρ20, кг/м3
К
1
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774
775
776
777
778
779
780
781
782
783
784
785
2
6,20
6,18
6,15
6,12
6,09
6,07
6,04
6,01
5,99
5,96
5,93
5,91
5,88
5,85
5,83
5,80
5,77
5,75
5,72
5,70
5,67
5,64
5,62
5,59
5,57
5,54
5,51
5,49
5,46
5,43
5,41
5,39
5,36
5,34
5,31
5,29
3
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
4
5,26
5,24
5,21
5,19
5,16
5,14
5,11
5,09
5,07
5,04
5,02
4,99
4,97
4,94
4,92
4,89
4,87
4,85
4,82
4,80
4,77
4,75
4,73
4,70
4,68
4,66
4,63
4,61
4,59
4,56
4,54
4,52
4,49
4,47
4,45
4,43
5
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
–
–
6
4,40
4,38
4,36
4,33
4,31
4,29
4,27
4,24
4,22
4,20
4,17
4,15
4,13
4,11
4,09
4,06
4,04
4,02
4,00
3,98
3,96
3,93
3,91
3,89
3,87
3,85
3,82
3,80
3,78
3,76
3,74
3,72
3,70
3,68
–
–
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Показатели, характеризующие горение реактивных топлив: высота
некоптящего пламени, люминометрическое число, содержание ароматических
и нафталиновых углеводородов и фактических смол. С понижением полноты
сгорания топлива его склонность к нежелательному нагарообразованию в двигателе возрастает. Нагар откладывается на сопле форсунки, на стенках камеры
сгорания, на лопатках турбины. Нагар на соплах форсунок изменяет форму
струи распыливаемого топлива, вследствие чего ухудшаются условия его распыливания и испарения, а также нарушается распределение температур вдоль
пространства горения. Нагарообразование на лопатках турбины вызывает ее децентрирование и выход из строя. Частицы нагара, отделяясь от стенок камеры
сгорания и попадая вместе с газами на лопатки турбины, вызывают их эрозию.
Наличие в пламени сажистых частиц (продуктов неполного сгорания
топлива) вызывает его свечение, что связано с излучением тепла пламенем,
приводящим к повышению температуры стенок камеры сгорания, их местному короблению и прогару.
Показателями, характеризующими горение реактивных топлив, являются
высота некоптящего пламени и люминометрическое число. Кроме того, склонность реактивных топлив к нагарообразованию в ВРД и свечению пламени оценивают по содержанию в них ароматических и нафталиновых углеводородов.
Высота некоптящего пламени – это максимальная высота пламени, которая наблюдается при полном сгорании топлива (без образования копоти)
в стандартной фитильной лампе по ГОСТ 4338.
Чем больше высота некоптящего пламени, тем ниже нагарообразующая способность реактивного топлива.
Люминометрическое число (светимость пламени) определяется по
ГОСТ 17750 на стандартном приборе по температурам газов в камере сгорания при сжигании испытуемого и эталонного топлив и характеризует содержание бициклических ароматических углеводородов. Чем выше люминометрическое число, тем ниже нагарообразующая способность топлива.
Значения люминометрического числа реактивных топлив и высота
некоптящего пламени зависят от их углеводородного и фракционного составов.
Наиболее низкие значения этих показателей (более высокая нагарообразующая
способность) имеют нафталиновые, нафтено-ароматические и моноциклические ароматические углеводороды, а наиболее высокие, снижающиеся с увеличением молекулярной массы и разветвлением молекулы, – парафиновые.
Чем тяжелее фракционный состав, тем выше нагарообразующая способность реактивного топлива.
На нагарообразование в ВРД оказывают влияние как фактические
смолы, содержащиеся в топливе от производителя, так и смолистые соединения, образующиеся при контакте с воздухом при высокой температуре в
процессе применения топлива. Содержание фактических смол в реактивных
топливах определяется по ГОСТ 1567.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кислотность. Кислотность является прямым показателем содержания
в реактивных топливах органических кислот и выражается количеством щелочи, пошедшей на их нейтрализацию. Вместе с другими показателями
(испытание на медной пластинке, содержание общей серы и др.) по значению кислотности судят о коррозионной активности реактивных топлив при
хранении, транспортировке и в топливной системе ВРД.
Определяют кислотность по ГОСТ 5985.
Йодное число. Этот показатель характеризует наличие в авиационных
керосинах непредельных (олефиновых) углеводородов и в определенной степени указывает на химическую стабильность топлива. Вовлечение в состав
авиакеросинов нестабильных нефтяных фракций, содержащих большое количество олефинов, по условиям применения недопустимо.
Йодное число определяется по ГОСТ 2070.
Температура вспышки в закрытом тигле. Этот показатель характеризует пожароопасность реактивного топлива при его хранении и применении.
Чем он ниже, тем большую пожароопасность имеет топливо.
Температура вспышки в закрытом тигле для реактивных топлив определяется по ГОСТ 6356.
Температура начала кристаллизации. Этот показатель качества относится к низкотемпературным свойствам реактивных топлив. Введение такого
показателя качества для авиационного топлива объясняется низкими температурами окружающего воздуха при высотных полетах летательного аппарата,
которые могут вызвать выпадение кристаллов наиболее тяжелых углеводородов и нарушить прокачиваемость топлива в топливной системе двигателя.
Температурой начала кристаллизации топлива называется его
максимальная температура, при которой в нем обнаруживаются невооруженным глазом первые кристаллы углеводородов.
Первыми из топлив начинают выпадать кристаллы нормальных парафиновых углеводородов. Реактивные топлива, получаемые из нефтей парафинового основания и содержащие повышенное количество нормальных
парафинов, по сравнению с топливами, вырабатываемыми из нефтей нафтенового основания, при одинаковом фракционном составе имеют более
высокую температуру начала кристаллизации.
Температура начала кристаллизации характеризует предельную температуру прокачки и фильтрации топлива при заправке дозвуковых и сверхзвуковых летательных аппаратов, а также предельную температуру прокачки
и фильтрации топлива в топливных системах летательного аппарата с дозвуковой скоростью полета и сверхзвукового самолета при его взлете, наборе
высоты и посадке, когда сверхзвуковая скорость еще не достигнута. Темпе85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ратура начала кристаллизации должна составлять для авиационных керосинов величину не выше –50 оС (для топлив марок Т-1, Т-2, ТС-1 и Т-1С –
не выше –60 оС, а для марок РТ и Т-8В – соответственно –55 и –50 оС).
Определяется температура начала кристаллизации по ГОСТ 5066.
Термоокислительная стабильность в статических условиях и динамическим методом. Этот показатель характеризует реактивное топливо
по его склонности к образованию смолистых веществ при контакте с воздухом при высокой температуре. При скорости самолета, превышающей скорость звука в 2–5 раз, его топливные баки разогреваются до 150–200 оС, топливо окисляется с образованием смол, которые приводят к повышенному
нагарообразованию при сгорании.
Мерой термической стабильности топлива в статических условиях является количество смол, образовавшихся в топливе при 150 оС и контакте с воздухом в течение 4 ч. Этот показатель качества определяют по ГОСТ 11802.
Для топлив, предназначенных к использованию в сверхзвуковой авиации,
помимо термостабильности в статических условиях, определяется термоокислительная стабильность динамическим методом по ГОСТ 17751.
В этом испытании топливо, нагретое до 150–180 оС, прокачивается через
специальный фильтр в течение 5 ч, при этом нормируются перепад давления
на фильтре (не выше 10 кПа) и отложения на подогревателе.
Термоокислительная стабильность реактивных топлив при высоких
температурах снижается в присутствии олефиновых углеводородов (показатель – йодное число), смолистых (показатель – содержание фактических
смол) и сернистых соединений и особенно при наличии меркаптанов.
Содержание общей и меркаптановой серы и сероводорода. Содержание общей и меркаптановой серы оказывает влияние на нагарообразующие
свойства реактивных топлив, но их предельное содержание ограничивается
главным образом из-за коррозионной агрессивности. По этой же причине
в реактивных топливах должен отсутствовать сероводород. Кроме того, наличие сернистых соединений в реактивных топливах приводит при их сгорании в двигателе к образованию оксидов серы (SO2 и SO3), которые загрязняют окружающую среду.
Однако следует отметить, что наличие сернистых гетероатомных
соединений повышает смазывающую способность авиакеросинов и улучшает их противоизносные свойства.
Определение содержания общей серы проводят по ГОСТ 19121, а меркаптановой серы и сероводорода – по ГОСТ 17323.
Испытание на медной пластинке, содержание водорастворимых
кислот и щелочей и воды. Реактивные топлива должны быть химически
нейтральными и не вызывать коррозию металлов, из которых изготавливают
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
топливную систему воздушно-реактивного двигателя, а продукты их сгорания – коррозию деталей камеры сгорания и сопла. Коррозионная активность
реактивных топлив и продуктов их сгорания, как уже отмечалось, зависит
также от содержания общей и меркаптановой серы, кислотности, содержания водорастворимых кислот и щелочей (ВКЩ), присутствия воды.
Водорастворимые кислоты и щелочи, а также вода, в реактивных топливах должны отсутствовать.
Испытанием на медной пластинке контролируется коррозионная агрессивность авиакеросинов. Анализ проводят по ГОСТ 6321.
Содержание водорастворимых кислот и щелочей определяют по
ГОСТ 6307, а воды – по ГОСТ 2477.
Зольность. При сгорании в ВРД реактивных топлив может образовываться зола из содержащихся в топливе солей высокомолекулярных органических кислот и несгораемых механических примесей. Зола увеличивает
эрозийный износ стенок камер сгорания и сопла, а также приводит к повышенному нагарообразованию в двигателе. В связи с этим для реактивных
топлив установлен верхний предел зольности.
Зольность определяют по ГОСТ 1461.
Содержание механических примесей. Загрязнение топлива механическими примесями может произойти на нефтеперерабатывающих
предприятиях (примеси, попадающие из нефти в процессе ее переработки,
продукты коррозии заводского оборудования), при транспортировке (продукты коррозии стенок цистерн, загрязнения, попадающие в цистерны из
воздуха при наливе и сливе топлива), на складах горючего на аэродромах.
Содержащиеся в реактивных топливах механические примеси, которые
включают до 4–8 % воды, могут привести к забивке топливной системы
летательного аппарата, вызвать эрозийный износ форсунок, стенок камеры
сгорания, лопаток турбины и сопла и другие нежелательные последствия,
поэтому содержание механических примесей в реактивных топливах не допускается. Для удаления воды и загрязнений топлива фильтруют на нефтеперерабатывающих предприятиях, на аэродромах и в топливной системе самолетов.
Определение содержания механических примесей проводят по
ГОСТ 10577.
Взаимодействие с водой. Вода в реактивном топливе может находиться в растворенном (гигроскопическая) и свободном (в виде эмульсии и
отстоя) состояниях.
Гигроскопичность топлив (поглощение влаги из окружающей среды)
возрастает при увеличении содержания в них ароматических углеводородов, при снижении пределов выкипания и с увеличением влажности воздуха. Парафиновые углеводороды имеют наименьшую гигроскопичность.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С увеличением молекулярной массы углеводородов растворимость воды в
них снижается, причем наиболее интенсивно – в ароматических углеводородах. При повышении температуры топлива растворимость воды в нем
возрастает. При подъеме летательного аппарата в результате понижения
давления водяных паров с высотой уменьшается и содержание растворенной воды в топливе. Однако, если высота была набрана быстро, то часть
растворенной воды может выделиться из топлива в зависимости от его
температуры в виде жидкой фазы кристаллов льда, которые нарушат нормальную работу топливной системы и самого ВРД.
Вода в свободном состоянии в реактивных топливах должна отсутствовать.
Для реактивных топлив проводится специальный анализ по
ГОСТ 27154 на взаимодействие с водой, по которому оценивается в баллах
способность топлива к поглощению воды.
Удельная электрическая проводимость. Электрические свойства топлива определяют пожаробезопасность процесса заправки им топливозаправщиков и летательных аппаратов и работу топливоизмерительной аппаратуры. В связи с тем, что реактивные топлива являются практически
диэлектриками, при наличии незначительных количеств полярных соединений и воды они способны накапливать в своем объеме заряды статического
электричества, которые могут вызвать искру и последующий пожар.
Электрические свойства топлива определяются его удельной электрической проводимостью, которая увеличивается с увеличением температуры
(ГОСТ 25950). С целью обеспечения пожаробезопасности от статического
электричества введены ограничения на скорость перекачки реактивных топлив (для разных марок она колеблется от 500 до 1 100 л/мин, но для топлива
марки Т-6 не ограничена).
Давление насыщенных паров. Давление насыщенных паров нормируется только для одной марки реактивного топлива – Т-2, которое имеет температуру начала кипения не ниже 60 оС, и определяется по ГОСТ 1756. Во избежание образования паровых пробок в топливной системе летательного аппарата
при применении этого топлива ограничено его ДНП (не более 133 гПа).
3.3. Компонентный состав реактивных топлив
Вырабатываемые промышленностью реактивные топлива – это продукты переработки нефти. В отличие от бензинов и других моторных топлив
реактивные топлива однокомпонентные, получаемые без смешения разных
компонентов. Их изготавливают выделением соответствующей фракции при
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
первичной перегонке нефти. Основное сырье для производства массовых реактивных топлив (марки ТС-1 и РТ) – среднедистиллятная фракция нефти,
выкипающая в пределах температур от 140 до 280 оС.
Для отдельных марок реактивного топлива допускается гидрооблагораживание полученных при первичной перегонке нефти фракций для очистки от сернистых соединений, кислот и части ароматических углеводородов.
Многообразие нефтяных ресурсов России позволяет выбрать именно то
сырье, которое обеспечит высокие эксплуатационные характеристики получаемого топлива при сравнительно невысоких затратах на его производство.
К примеру, реактивное топливо марки ТС-1 в большинстве случаев производят
из западно-сибирской нефтесмеси практически только ее первичной перегонкой.
Реактивные топлива из газовых конденсатов в промышленном масштабе не получают ввиду их малых ресурсов и небольшой изученности с точки зрения
применения газоконденсатных фракций в качестве авиационных топлив, хотя
научно-исследовательские работы в этом направлении ведутся.
Таким образом, в реактивные топлива входят только базовые прямогонные фракции (в том числе и гидрооблагороженные) и присадки.
Присадки предназначены для улучшения тех или иных эксплуатационных свойств реактивных топлив и, как следствие, для некоторого расширения ресурсов базовых фракций.
3.3.1. Присадки
Для отечественных реактивных топлив допущено ограниченное число
присадок: антиокислительные («Агидол-1», «Ионол»), противоизносные
(ДНК – дистиллированные нефтяные кислоты, «Хайтек-580» фирмы
«Этил»), антистатическая («Сигбол»), противоводокристаллизационные
(ПВК) – жидкости «И», «ТГВ», «ТГФ-М».
Основные требования, предъявляемые к присадкам для реактивных
топлив:
– эффективность при малых концентрациях высокая;
– применение присадки не должно ухудшать качество топлива по другим показателям;
– высокоэффективное действие сохраняется в течение длительного
времени как в чистом виде, так и в растворе топлива.
Антистатические и противоводокристаллизационные присадки допущены для всех марок топлив, а антиокислительные и противоизносные –
только для топлив, полученных с использованием гидрооблагораживающих
процессов, – РТ, Т-6 и Т-8В.
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Антиокислительные присадки. Эти присадки вводятся только в гидрооблагороженные топлива, т. к. при гидрогенизационной обработке из топлив удаляются природные антиокислители – гетероатомные соединения
(сернистые, азотистые, кислородсодержащие). Для повышенной химической
стабильности гидрогенизационных топлив (РТ, Т-6, Т-8В) антиоксиданты в
них вводятся непосредственно на нефтеперерабатывающих предприятиях.
В России применяется присадка «Агидол-1» (2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол)
в концентрации 0,003–0,004 % мас. Допущена к применению и импортная
присадка «Ионол», которая по составу и эффективности действия равнозначна присадке «Агидол-1».
Противоизносные присадки. Эти присадки предназначены для восстановления смазочных свойств реактивных топлив, подвергнутых гидрогенизационной обработке. Их вводят в топлива на нефтеперерабатывающих
заводах вместе с антиокислительной присадкой «Агидол-1».
В качестве противоизносных применяют присадки «Сигбол», «К» кислотного типа, «Хайтек-580», реже – композицию присадок «Сигбол» и
ПМАМ-2 полиметакрилатного типа (в этом случае реактивное топливо принимается как резервное).
«Сигбол» применяется в концентрации 0,0005 % мас. При превышении
этой концентрации возрастает электропроводность реактивного топлива и
нарушается работа топливоизмерительной аппаратуры на борту самолета.
Присадка «К» по эффективности соответствует присадке «Сигбол» и
применяется в концентрации 0,001–0,004 % мас. Такая концентрация не повышает кислотность топлива выше 0,7 мг КОН/100 см3 и не влияет отрицательно на другие эксплуатационные показатели топлива. Наличие в топливе
присадки «К» косвенно контролируется регламентированным в ГОСТах
нижним пределом кислотности.
Присадка «Хайтек-580» фирмы «Этил», производимая за рубежом,
применяется вместо присадки «К» в периоды ее дефицита. Концентрация
этой присадки составляет 0,003–0,0035 % мас.
Антистатические присадки. Антистатические присадки, повышая
электропроводность реактивного топлива, исключают возникновение зарядов статического электричества.
В России используется присадка «Сигбол», которая одновременно является и противоизносной присадкой. «Сигбол», представляющая собой
комплексное соединение на основе соли органической кислоты и полимерного компонента в растворе толуола или ксилола, применяется в концентрации 0,0005 % мас. практически для всех топлив: РТ, ТС-1, Т-2 и Т-8В. Она
совместима со всеми присадками, допущенными к применению в реактивных топливах. Для топлив, содержащих присадку «Сигбол», установлена
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
норма по электропроводности: от 50 (при температуре заправки) до
600 пСм/м (при 20 оС). Нижний предел гарантирует безопасность перекачки,
верхний – нормальную работу топливоизмерительной аппаратуры.
Противоводокристаллизационные присадки. Эти присадки вводятся
для предотвращения образования кристаллов льда и растворения инея непосредственно при заправке летательного аппарата в количестве до 0,3 % в
зависимости от температуры топлива. В качестве противоводокристаллизационных присадок используют этилцеллозольв (жидкость «И»), тетрагидрофурфуриловый спирт («ТГФ») и их 50%-е смеси с метанолом (присадки
«И-М» и «ТГФ-М»). Их вводят преимущественно зимой, а летом – в тех случаях, когда продолжительность полета самолета превышает 5 ч и топливо
успевает охладиться до отрицательных температур.
3.4. Ассортимент и марки реактивных топлив
Реактивные топлива вырабатывают для летательных аппаратов дозвуковой авиации по ГОСТ 10227 (5 марок: ТС-1, Т-1, Т-1С, Т-2, РТ) и для
сверхзвуковой авиации по ГОСТ 12308 (2 марки: Т-6 и Т-8В).
Топливо Т-1. Введено в 1948 году. Представляет собой прямогонный
керосин из малосернистых бакинских нефтей нафтенового основания с содержанием общей серы не более 0,1 % мас. Содержит большое количество
нафтеновых кислот и имеет высокую кислотность, поэтому подвергается защелачиванию с последующей водной промывкой.
Топливо ТС-1. Взаимозаменяемо с Т-1. Прямогонный или смесевой с гидроочищенной частью керосин с содержанием общей серы не более
0,25 % мас. Допускается подвергать гидроочистке и последующему смешению с оставшимся негидроочищенным прямогонным компонентом
не более 70 % от общего количества прямогонного керосина (во избежание значительного снижения противоизносных свойств). Выкипает
в пределах от 130 до 240 оС.
Топливо Т-2. Введено в 1957 году. Продукт прямой перегонки высокосернистых нефтей. Имеет широкий фракционный состав (60–280 оС), высокое
ДНП и низкие вязкость и плотность. В настоящее время является резервным
по отношению к топливам ТС-1 и РТ.
Топливо РТ. Введено с 1970 года для применения на дозвуковой авиации, но при необходимости – на сверхзвуковых самолетах со скоростью
полета до 1 800 км/ч. Фракция 135–280 оС первичной перегонки нефти с последующей гидроочисткой. Содержит противоизносные присадки. Имеет
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
высокую термостабильность. Топливо РТ по эксплуатационным характеристикам полностью соответствует реактивным топливам высшей категории
качества и по отдельным показателям превосходит мировой уровень.
Топливо Т-6. Введено в 1966 году для сверхзвуковой авиации (со скоростями полета до 4 800 км/ч). Фракция 195–315 оС первичной перегонки
нефти с последующим гидрированием или фракция 195–300 оС легкого газойля каталитического крекинга с последующей гидродеароматизацией.
Обладает высокими плотностью, температурой вспышки, теплотой сгорания
и термоокислительной стабильностью и низкими содержанием общей серы
и ароматических углеводородов.
Топливо Т-8В. Введено в 1968 году специально для первого отечественного пассажирского сверхзвукового самолета Ту-144 (скорость полета –
до 3 000 км/ч), но используется и в военной авиации. Прямогонная фракция
170–280 оС с последующей каталитической гидродеароматизацией. Имеет
высокую термоокислительную стабильность и малую испаряемость.
В последние годы начато производство аналога зарубежного реактивного
топлива марки Джет А-1 (Jet A-1) по ГОСТ Р 52050, поскольку, несмотря на то,
что отечественные марки ТС-1 и РТ существенно превосходят реактивное топливо Jet A-1 по ряду эксплуатационных свойств и физико-химических показателей, их применение на авиационных двигателях компаний «Pratt & Whitney»,
«Rolls-Royce» и «General Electric» существенно ограничено из-за различных
подходов к оценке надежности работы авиационной техники: в России она оценивается в первую очередь по прокачиваемости и склонности топлив к образованию отложений, а за рубежом – по пожаробезопасности.
Основные показатели качества реактивных топлив для дозвуковой
авиации по ГОСТ 10227 приведены в табл. 3.4, а для сверхзвуковой авиации
по ГОСТ 12308 – в табл. 3.5.
Следует отметить, что для всех топлив сероводород, водорастворимые
кислоты и щелочи, мыла нафтеновых кислот, механические примеси и вода
должны отсутствовать; испытание на медной пластинке при 100 оС в течение
4 ч выдерживают. Удельная электрическая проводимость нормируется только
для топлив, содержащих антистатическую присадку «Сигбол».
92
≤ 0,7
≤ 0,7
≤ 0,7
Требования к показателям качества реактивных топлив по ГОСТ 10227
≤ 0,7
Таблица 3.4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
93
*
В скобках приведены значения показателей для ТС-1 первого сорта, отличные от значений для высшего сорта.
Окончание табл. 3.4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.5
Требования к показателям качества реактивных топлив по ГОСТ 12308
Марки топлива
Показатели
Плотность при 20 оС, кг/м3, не менее
Фракционный состав:
– температура начала перегонки, оС, не ниже
– отгоняется при температуре, оС, не выше:
– 10 %
– 50 %
– 90 %
– 98 %
Кинематическая вязкость, мм2/с, при температуре:
– 20 оС, не менее
– 40 оС, не более
Низшая теплота сгорания, кДж/кг, не менее
Высота некоптящего пламени, мм, не менее
Кислотность, мг КОН/100 см3 топлива
Йодное число, г йода/100 г топлива, не более
Температура, оС:
– вспышки в закрытом тигле, не ниже
– начала кристаллизации, не выше
Термоокислительная стабильность в статических условиях при 150 оС, не более:
– содержание осадка, мг/100 см3 топлива
– содержание растворимых смол,
мг/100 см3 топлива
– содержание нерастворимых смол,
мг/100 см3 топлива
Содержание фактических смол, мг/100 см3,
не более
Массовая доля, %, не более:
– ароматических углеводородов
– общей серы
– меркаптановой серы
– нафталиновых углеводородов
Зольность, %, не более
Люминометрическое число, не ниже
Термоокислительная стабильность динамическим методом при 150–180 оС:
– перепад давления на фильтре за 5 ч, кПа,
не выше
– отложения на подогревателе, баллы,
не более
Т-6
Т-8В
840
800
195
165
220
255
290
315
185
Не нормируется
Не нормируется
280
≤4,5
60
42 900
20
0,4–0,7
0,8
≥1,5
16
42 900
20
0,4–0,7
0,9
62
–60
45
–50
6
6
60
–
Отсутствие
–
4
4
10
0,05
Отсутствие
0,5
0,003
45
22
0,10
0,001
2,0
0,003
50
10
10
1
1
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 3.5
Марки топлива
Показатели
Т-6
Т-8В
1
1
1
1
–
50
–
600
Взаимодействие с водой, баллы, не более:
– состояние поверхности раздела
– состояние разделенных фаз
Удельная электрическая проводимость,
пСм/м:
– при температуре заправки техники,
не менее
– при 20 оС, не более
В табл. 3.6 приведены сведения о показателях качества топлива Jet А-1
по ГОСТ Р 52050.
Таблица 3.6
Основные требования к топливу марки Jet А-1 согласно ГОСТ Р 52050
Показатели
Значения
Кислотное число общее, мг КОН/г, не более
Объемная доля ароматических углеводородов, %, не более
Массовая доля меркаптановой серы, %, не более
Массовая доля общей серы, %, не более
Фракционный состав, оС:
– 10 % выкипает при температуре, не выше
– 50 % выкипает при температуре, не выше
– 90 % выкипает при температуре, не выше
– конец кипения, не выше
Остаток разгонки, %, не более
Потери разгонки, %, не более
Температура вспышки в закрытом тигле, оС, не ниже
Плотность при 15 оС, кг/м
Температура замерзания, оС, не выше
Кинематическая вязкость при температуре –20 оС, мм/с,
не более
Низшая теплота сгорания, МДж/кг, не менее
Высота некоптящего пламени, мм, не менее
Коррозия медной пластинки (2 ч  5 мин) при 100 оС,
не более
Концентрация фактических смол, мг/100 см, не более
Удельная электрическая проводимость, пСм/м
– с антистатической присадкой
– без присадки, не более
0,10
25
0,003
0,25
96
205
Не нормируется,
определение обязательно
300
1,5
1,5
38
775–840
–47
8
42,8
25
№1
7
50–450
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Топлива ТС-1 высшего и первого сорта, Т-2 и РТ, предназначенные
для применения во всех климатических зонах, за исключением района I1
(по ГОСТ 16350), допускается вырабатывать с температурой начала кристаллизации не выше –50 оС. Допускается применять в климатическом районе I1 (по ГОСТ 16350) топлива ТС-1 и РТ с температурой начала кристаллизации не выше –50 оС при температуре воздуха у земли не ниже –30 оС в
течение 24 ч до вылета. Топливо для применения в климатическом районе I1
с температурой начала кристаллизации не выше –55 оС (РТ) и –60 оС (ТС-1)
вырабатывают по требованию потребителей.
Топливо Т-1С предназначено для специального потребления.
В топливах всех марок после длительного хранения (более 3 лет) допускается отклонение от норм, указанных в табл. 3.3: по кислотности – на
0,1 мг/100 см3 топлива; по содержанию фактических смол – на 2 мг/100 см3
топлива; по количеству осадка при проведении термоокислительной стабильности в статических условиях – на 2 мг/100 см3 топлива.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие общие требования предъявляются к современным топливам для
воздушно-реактивных двигателей?
2. Какие требования, связанные с работой двигателя, предъявляются к современным реактивным топливам?
3. Назовите основные нормируемые показатели качества реактивных топлив.
4. Что характеризует и на что влияет плотность реактивного топлива? Дайте
определение плотности нефтепродукта.
5. Что характеризует и на что влияет удельная теплота сгорания реактивного
топлива? Дайте определение удельной теплоты сгорания нефтепродукта. Постройте убывающий ряд удельной теплоты сгорания различных групп углеводородов.
6. Назовите показатели качества, характеризующие горение реактивных топлив. Расскажите об этих показателях.
7. Дайте определение показателю «температура начала кристаллизации».
Какие свойства реактивного топлива характеризует этот показатель?
8. Почему для реактивных топлив определяется и нормируется показатель
«удельная электрическая проводимость»?
9. Для каких марок реактивных топлив и почему определяется и нормируется показатель «термоокислительная стабильность динамическим методом»?
10. Назовите современный ассортимент и марки реактивных топлив.
11. Какие присадки применяются в современных реактивных топливах?
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА
4
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ
О РАКЕТНЫХ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВАХ
Основным показателем, характеризующим термодинамическую эффективность применения ракетных топлив, является удельный импульс тяги.
Удельный импульс тяги жидкого ракетного топлива – это реактивная тяга двигателя, приходящаяся на единицу массы ракетного
топлива (обычно – один килограмм), расходуемого в единицу времени
(обычно – в одну секунду).
Удельный импульс тяги ракетного топлива зависит от температуры и
газовой постоянной продуктов сгорания топлива, а также степени расширения этих продуктов при истечении из сопла двигателя. Степень расширения
продуктов сгорания топлива определяется конструкцией ЖРД и условиями
его применения.
Температура продуктов сгорания ракетного топлива определяется тепловой производительностью топлива, т. е. тепловым эффектом химической реакции окисления топлива (отнесенным к единице массы или объема топлива).
Газовая постоянная продуктов сгорания определяется их составом.
Чем меньше молекулярная масса продуктов сгорания, тем при равной тепловой производительности больше удельный импульс тяги ракетного топлива.
Кроме термодинамической эффективности применения ракетных топлив существует также их баллистическая эффективность.
Баллистическая эффективность ракетного топлива – это дальность полета ракеты или та максимальная скорость, которую развивает
ракета в конце активного участка полета, т. е. к моменту полного
использования топлива.
Баллистическая эффективность определяется удельным импульсом тяги и
плотностью компонентов ракетного топлива и увеличивается с ростом этих
показателей. С совершенствованием конструкции ракеты и увеличением отношения объема баков к массе ракеты без топлива максимальная скорость и дальность полета ракеты возрастают, а влияние плотности топлива на дальность
полета уменьшается.
Таким образом, наиболее эффективными ракетными топливами являются вещества, выделяющие при реакции окисления большое количество тепла, образующие продукты сгорания низкой молекулярной массы и имеющие
высокую плотность.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В табл. 4.1 приведены сведения о максимальной скорости полета ракеты
при использовании различных топлив.
Таблица 4.1
Максимальная скорость полета ракеты при использовании различных топлив
Топливо
Удельный
импульс тяги,
с
(Рк : Рс = 0,25)*
Плотность,
г/см3
322
270
290
315
245
240
231
216
235
0,42
1,02
1,38
1,36
1,47
1,32
1,50
1,35
1,02
Н2 + О2
Керосин + О2
Керосин + F2
Керосин + OF2
Керосин + C(NO2)4
Керосин + N2O4
Керосин + HClO4
Керосин + HNO3
C2H5OH (75%-й) + О2
Максимальная скорость
ракеты, м/с
Ψ = 1,00
Ψ = 2,07
Ψ = 9,00
1 090
1 950
2 380
2 640
2 180
1 970
2 040
1 810
1 615
1 930
3 020
3 660
4 140
3 360
3 080
3 170
2 840
2 100
4 930
6 100
6 220
7 200
5 840
5 440
5 500
5 000
5 300
* Рк – давление в камере сгорания; Рс – давление на срезе сопла.
** Ψ – отношение объема баков ракеты к ее массе без топлива.
Тепловая производительность ракетного топлива зависит от используемого окислителя. В качестве окислителей наиболее выгодно применять
кислород, фтор или вещества, содержащие эти элементы, причем эффективность окислителя будет увеличиваться с ростом относительного содержания
в его молекуле реакционноспособного кислорода или фтора.
Различают однокомпонентные, двухкомпонентные и трехкомпонентные ракетные топлива.
Однокомпонентные ракетные топлива содержат в своем составе и горючие элементы, и окислитель (кислород). В качестве таких топлив используются,
например, метилнитрат СН3ОNО2 (температура кипения 64 оС) и нитрометан
СН3NО2 (температура кипения 101 оС). Эти топлива горят без подвода кислорода
извне, и трудности их применения заключаются в их взрывоопасности и сложности регулирования процесса разложения. Энергетические характеристики
некоторых однокомпонентных ракетных топлив приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Энергетические характеристики однокомпонентных ракетных топлив
Топливо
Нитрометан СН3NО2
Окись этилена С2Н4О
Гидразин N2H4
Тетранитрометан С(NO2)4
Перекись водорода Н2О2
Удельный импульс тяги, с
254
199
198
181
165
Температура сгорания, оС
2 367
1 144
1 004
1 897
1 005
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Двухкомпонентные ракетные топлива состоят из горючего компонента
и окислителя. В качестве горючих компонентов таких топлив широко используются вещества на основе водорода, металлов низкой молекулярной
массы (например, бериллия и лития), гидридов этих металлов, металлоорганических соединений и богатых водородом соединений углерода и азота (как
синтетических, так и природного происхождения). В качестве окислителей в
двухкомпонентных топливах используют кислород, кислородсодержащие
(азотная кислота, четырехокись азота, смесь этих соединений, перекись водорода) и фторсодержащие соединения.
К синтетическим горючим компонентам двухкомпонентных топлив
относятся гидразин, несимметричный диметилгидразин, смесь ксилидина и
триэтиламина, к природным – смеси углеводородов, в том числе нефтяного
происхождения, а в последнее время – чистый водород. Смеси углеводородов
нефтяного происхождения используются самые различные: авиакеросины Т-2
и Т-6 и специально выделенные фракции нафтеновых нефтей («Нафтил»).
Углеводородные ракетные горючие обычно получают прямой перегонкой нефти, и они мало отличаются от авиационных реактивных топлив. В ранних конструкциях ЖРД в качестве горючего применяли авиационный бензин.
Энергетические характеристики некоторых двухкомпонентных ракетных топлив приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Энергетические характеристики двухкомпонентных ракетных топлив
(окислитель – фтор F2)
Горючий
компонент
Водород Н2
Литий Li
Гидразин
N2H2
Гидрид бора
B5H9
Керосин
Бериллий Be
Отношение Температура
компонентов сгорания, оС
Молекулярная
масса продуктов сгорания
Плотность
топлива,
г/см3
Удельный импульс
тяги, с
8,09
2,57
2,37
3 715
5 350
4 454
12,82
24,46
21,55
0,468
0,999
1,314
412
378
364
4,56
4 807
24,90
1,199
361
2,70
6,69
4 157
4 328
25,79
30,81
1,282
1,547
328
323
Оптимальное сочетание высоких энергетических характеристик топлива и достаточно малой молекулярной массы продуктов его сгорания можно получить при использовании трехкомпонентных топлив. С этой целью
двухкомпонентные топлива (в основном из низкомолекулярных металлов)
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
должны содержать значительное количество водорода или гелия (третий
компонент), которые добавляются в качестве разбавителя. При замене водорода на гелий снижается удельный импульс тяги, однако гелий в некоторых случаях желателен вследствие его химической инертности и большей плотности.
В табл. 4.4 приведены некоторые характеристики трехкомпонентных
ракетных топлив.
Таблица 4.4
Энергетические характеристики трехкомпонентных ракетных топлив
Топливо
O2 – Be – H2
F2 – Li – H2
F2 – Li – He
F2 – H2 – He
Основной продукт
сгорания
BeO
LiF
LiF
HF
Мольное отношение разбавителя к
основным продуктам сгорания
5,00
6,00
1,50
0,79
Удельный
импульс тяги, с
457
436
404
412
В настоящее время большое внимание уделяется криогенным углеводородным ракетным горючим, полученным на основе низкомолекулярных
газообразных углеводородов: метана, этана, пропана, бутана, бутена-1 и др.
Эти горючие в паре с окислителем, представляющим смесь жидкого кислорода и жидкого фтора, предполагается использовать для длительных космических полетов в течение 1–4 лет. Ракетное топливо на основе жидкого
метана и смеси жидкого кислорода с жидким фтором характеризуется удельным импульсом тяги 393–397 с. Жидкий метан обладает хорошими охлаждающими свойствами в камерах сгорания с наружным (регенеративным)
охлаждением. Развитием работ в области криогенных углеводородных горючих является использование шугообразного метана, обладающего высокой плотностью и теплоемкостью.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определения показателям «удельный импульс тяги жидкого ракетного топлива» и «баллистическая эффективность ракетного топлива».
2. Приведите примеры одно-, двух- и трехкомпонентных ракетных топлив.
Объясните назначение каждого из компонентов топлива.
3. Что такое «криогенное углеводородное ракетное горючее»?
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА
5
ДИЗЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Дизельные топлива являются одним из самых массовых моторных топлив для наземного (автомобили, тракторы, тепловозы, большинство сухопутной боевой техники и др.) и водного транспорта, включая военно-морской
флот. Автомобили, оснащенные дизельными двигателями, в том числе и легковые, в последнее время находят все большее распространение и успешно
конкурируют с автомобилями, имеющими бензиновые двигатели с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси. Дизельные топлива могут
применяться и в газотурбинных установках вместо газотурбинного топлива.
В 2005 году дизельных топлив в России произведено 60,1 млн т.
Потребление этого вида топлива на душу населения составляет, кг/год:
в США – 612, в Западной Европе – 600, в Японии – 460, в России – 180.
В зависимости от назначения вырабатывают дизельные топлива двух
групп: легкие – для быстроходных дизелей с числом оборотов коленчатого
вала в минуту более 800, тяжелые – для тихоходных дизелей с числом оборотов коленчатого вала в минуту от 150 до 500.
Основное количество выпускаемых в России дизельных топлив для быстроходных дизелей – это летнее дизельное топливо, объем производства которого достигает 90 % от общего объема дизельных топлив. На зимние марки
топлив с температурой застывания –35 и –45 оС приходится 9 %, а арктического дизельного топлива, предназначенного для обеспечения районов Крайнего Севера и Арктики и имеющего температуру застывания –55 оС, вырабатывается всего 1 %. Выпуск низкозастывающих дизельных топлив в России
недостаточен, потребность в них удовлетворяется лишь на 40 %.
К современным дизельным топливам предъявляются следующие основные требования, обеспечивающие экономичную и надежную работу ДВС с самовоспламенением топлива, впрыскиваемого в сжатый в цилиндре воздух:
– хорошая распыляемость и испаряемость, позволяющие получить в
цилиндрах дизельного двигателя однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах окружающего воздуха;
– групповой углеводородный и фракционный составы, обеспечивающие хороший пуск и устойчивый процесс сгорания топлива на всех режимах
работы двигателя;
– достаточно полное сгорание топлива в двигателе с минимальным образованием нагара, дыма, сажевых частиц и др.;
– хорошая смазывающая способность, обеспечивающая длительную
работу плунжерного топливного насоса высокого давления;
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– малотоксичность дизельных топлив, а также выхлопных газов, образующихся при их сгорании в двигателях, минимальное воздействие на окружающую среду;
– постоянство состава и свойств, а также отсутствие вредного влияния
на детали топливной системы, резервуары для хранения, резинотехнические
изделия и др. при длительном хранении и транспортировке;
– при применении в зимнее время достаточная прокачиваемость по топливной системе и способность не застывать до определенных температур;
– достаточная пожаробезопасность, особенно при использовании в стационарных установках (в помещениях), на тепловозах и судах.
5.1. Общие требования к дизельным топливам
Общие требования к современным дизельным топливам так же, как и
к другим моторным топливам, делятся на четыре группы: требования, связанные с работой двигателя; требования эксплуатации; требования, обусловленные необходимостью и возможностью массового производства; экологические требования.
5.1.1. Требования, связанные с работой дизельного двигателя
Для нормальной и эффективной работы дизельного ДВС с самовоспламенением топлива необходимо следующее:
1. Распространение фронта пламени в камере сгорания должно происходить с оптимальной скоростью на всех режимах работы с необходимыми
мощностными, экономическими и экологическими показателями.
Это требование регламентирует воспламеняемость (цетановые число и
индекс) и индукционный период дизельного топлива, его групповой углеводородный и фракционный составы, вязкость, содержание неуглеводородных
компонентов и др.
2. Применяемое дизельное топливо должно обеспечивать при любых
температурах окружающего воздуха экономичность ДВС, его хорошие пусковые характеристики, быстрый прогрев и высокую приемистость (переход с
одного режима работы на другой), надежную работу форсунок, минимальное
образование отложений во впускной и выпускной системах.
Это требование регламентирует такие показатели качества дизельных
топлив, как испаряемость (фракционный состав), вязкость, зольность, теплота испарения, плотность, содержание смол, кислотность, коксуемость
10%-го остатка перегонки и др.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Топливо должно обеспечивать достаточно высокий уровень смазки
плунжерных пар топливного насоса высокого давления и при этом хорошо
прокачиваться по топливной системе и распыляться до мелкодисперсного
состояния форсунками двигателя.
Выполнение этого требования обеспечивается вязкостью, фильтруемостью, содержанием воды и механических примесей и др.
5.1.2. Эксплуатационные требования
Дизельное топливо после выработки на нефтеперерабатывающих заводах проходит длительный путь транспортирования трубопроводным, железнодорожным, водным и автомобильным транспортом и хранения в резервуарах завода-изготовителя, нефтебаз различного назначения и заправочных
станций. Транспортирование, хранение и применение дизельных топлив
непосредственно на транспортных средствах или в стационарных установках
происходит в различных климатических условиях при температурах окружающего воздуха от –60 до +40–45 оС. В связи с этим состав дизельных топлив должен исключать возникновение трудностей при выполнении всех перечисленных операций в любых температурах окружающего воздуха и при
этом сохранять свои основные эксплуатационные показатели качества
с возможно меньшими потерями.
Эти требования эксплуатации регламентируют такие свойства дизельных топлив, как химическая стабильность при хранении, прокачиваемость,
зависящая от температур помутнения и застывания, вязкостно-температурные
характеристики, содержание механических примесей, воды и коррозионноагрессивных соединений и др.
5.1.3. Требования производства
При максимальной выработке на нефтеперерабатывающих заводах дизельного топлива возможно снижение ресурсов бензинов и реактивных топлив, поэтому нефтепереработчики заинтересованы в достаточно высокой
цене на дизельное топливо для обеспечения рентабельности его производства.
Цены на дизельные топлива с улучшенными экологическими характеристиками должны покрывать издержки производства, связанные с их глубокой гидроочисткой и деароматизацией (гидрированием).
Цены на низкозастывающие дизельные топлива (зимние и арктические
марки) должны учитывать облегчение их фракционного состава и, следовательно, уменьшение их отбора от нефти, а также применение процессов
депарафинизации и (или) депрессорных присадок.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Требования производителей дизельных топлив заключаются в следующем:
– углеводородный состав и пределы кипения дизельных топлив должны максимально соответствовать смеси углеводородов, находящихся в среднекипящей части нефтей;
– воспламеняемость и индукционный период (задержка воспламенения)
дизельных топлив не должны превышать максимального уровня, достижимого
при использовании современных технологических процессов глубокой переработки нефти с ее наименьшими прямыми потерями и превращением в побочные продукты. Так, цетановое число топлива должно быть установлено на
оптимальном уровне для обеспечения возможности вовлечения в дизельные
топлива продуктов вторичных процессов глубокой переработки нефти;
– нормы на показатели качества дизельных топлив должны позволять
использовать для их производства нефти с различным углеводородным и
фракционным составами и содержанием различных гетероатомных примесей;
– использование дорогостоящих компонентов и присадок, не производимых на заводах-изготовителях бензинов, должно быть минимальным.
Таким образом, требования производителей дизельных топлив ограничивают требования моторостроителей на определенном, оптимальном
с точки зрения экономической целесообразности уровне, достижимом при
использовании доступного сырья и современной технологии его переработки. При развитии нефтепереработки удовлетворяются все возрастающие
требования моторостроителей.
5.1.4. Экологические требования
Воздействие дизельного топлива на окружающую среду обусловлено токсичностью составляющих его углеводородов и неуглеводородных примесей.
Токсичностью обладают и некоторые продукты сгорания дизельных топлив.
Токсичность дизельных топлив связана с их химическим и фракционным составом, при этом она тем выше, чем больше в топливах содержится
непредельных и ароматических (в том числе полициклических) углеводородов и гетероатомных соединений.
Экологические требования к бензинам постоянно ужесточаются.
Техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных
двигателей и топочному мазуту», утвержденным Постановлением Правительства РФ от 27.02.2008 г. № 118, установлены требования к характери105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стикам дизельного топлива в зависимости от экологического класса. Требования к дизельным топливам для экологических классов 2–5 приведены в
табл. 5.1.
Таблица 5.1
Основные технические требования к дизельным топливам
Характеристики
Массовая доля серы,
не более
Температура вспышки в
закрытом тигле, не ниже:
- дизельного топлива, за
исключением дизельного топлива для арктического климата
- дизельного
топлива
для арктического климата
Фракционный состав:
95 % об. перегоняется
при температуре,
не выше
Массовая доля полициклических ароматических углеводородов,
не более
Цетановое число,
не менее
Цетановое число дизельного топлива для
холодного и арктического климата, не менее
Предельная температура фильтруемости,
не выше:
- дизельного топлива
для холодного климата
- дизельного топлива
для арктического климата
Смазывающая способность, не более
106
Нормы в отношении
экологических классов
Единица
измерения
2
3
4
5
500
350
50
10
40
40
40
40
30
30
30
30
360
360
360
360
%
–
11
11
11
–
45
51
51
51
–
–
47
47
47
–20
–20
–20
–20
–38
–38
–38
–38
460
460
460
460
мг/кг
о
о
о
С
С
С
мкм
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Производство дизельного топлива осуществляется в отношении:
а) экологического класса 2 – до 31 декабря 2008 года;
б) экологического класса 3 – до 31 декабря 2009 года;
в) экологического класса 4 – до 31 декабря 2012 года.
Для сравнения в табл. 5.2 приведена динамика изменения основных
технических требований к качеству дизельных топлив в странах Европейского экономического сообщества (ЕЭС).
Таблица 5.2
Требования к качеству дизельных топлив в странах ЕЭС
Годы
Показатели
Содержание общей серы,
% мас., не более
Цетановое число, не менее
Плотность при 15 оС, кг/м
Кинематическая вязкость при
40 оС, мм/с
Содержание ароматических
углеводородов, %, не более:
в том числе полициклических
Смазывающая способность,
мкм, не более
1993–1996
1996–1999
1999–2004
с 2005
0,30
0,05
0,035
0,005
45
49
51
820–860
820–860
820–845
51
Не более
840
2,0–4,5
2,0–4,5
2,0–4,0
–
Не нормируется
11,0
2,0
Не нормируется
460
Из данных табл. 5.1 и 5.2 четко прослеживается тенденция к ужесточению в России и странах Западной Европы норм на содержание в дизельных
топливах ароматических углеводородов и серы. В целом требования к дизельным топливам в России соответствуют таковым в Западной Европе.
5.2. Основные нормируемые показатели качества
дизельных топлив
К основным нормируемым показателям качества, общим для всех марок дизельного топлива, относятся:
– цетановое число и (или) цетановый индекс;
– плотность при 20 или 15 оС;
– фракционный состав по ГОСТ 2177;
– кинематическая вязкость при температуре 20 или 40 оС;
– смазывающая способность;
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– низкотемпературные свойства (температуры застывания и (или) помутнения, предельная температура фильтруемости);
– температура вспышки в закрытом тигле;
– содержание серы;
– содержание меркаптановой серы;
– содержание сероводорода;
– содержание ароматических углеводородов или полициклических
ароматических углеводородов;
– испытание на медной пластинке (коррозия медной пластинки);
– концентрация (содержание) фактических смол;
– окислительная стабильность;
– содержание воды;
– содержание механических примесей, общее загрязнение и коэффициент фильтруемости;
– зольность;
– йодное число;
– кислотность;
– коксуемость 10%-го остатка перегонки.
При введении в дизельное топливо метиловых эфиров жирных кислот
определяют и их содержание в топливе.
Цетановое число (цетановый индекс). Цетановое число – основной
показатель воспламеняемости дизельных топлив. Оно определяет легкость
запуска двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления в цилиндре), расход топлива и дымность отработанных газов.
Чем выше цетановое число, тем ниже скорость нарастания давления в
цилиндрах и тем более мягко работает и легче пускается дизельный двигатель. Однако при повышении цетанового числа сверх оптимального ухудшается экономичность ДВС и повышается дымность выхлопных газов.
Цетановое число дизельных топлив зависит от их углеводородного и
фракционного составов. Наиболее высокими цетановыми числами обладают
нормальные парафиновые углеводороды. С повышением их молекулярной массы цетановые числа повышаются, а по мере разветвления – снижаются. Самые
низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых
цепей. Ароматические углеводороды с боковыми цепями имеют более высокие
цетановые числа, причем тем больше, чем длиннее боковая парафиновая цепь.
Олефиновые углеводороды обладают более низкими цетановыми числами, чем
соответствующие им по строению парафиновые углеводороды. Нафтеновые углеводороды характеризуются невысокими цетановыми числами, которые однако
выше, чем у ароматических углеводородов. В целом воспламеняемость дизельного топлива тем выше, чем оно богаче водородом (больше соотношение Н : С).
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Следовательно, ряд убывания цетановых чисел выглядит следующим
образом: нормальные парафиновые углеводороды > изопарафиновые углеводороды > нафтены > ароматические углеводороды.
В табл. 5.3 приведены цетановые числа различных групп углеводородов.
Таблица 5.3
Цетановые числа углеводородов
Углеводороды
Цетановое число
Парафиновые
Олефиновые
Нафтеновые
Ароматические
60–102
50–90
20–40
0–30
Прямогонные нефтяные фракции 180–360 оС, особенно полученные из
нефтей парафинового основания, имеют высокие цетановые числа, а ароматизированные фракции легких газойлей термического и каталитического
крекингов, коксования и некоторых других вторичных процессов характеризуются низкими цетановыми числами.
Чем выше температуры выкипания дизельного топлива, тем выше его
цетановое число. Бензиновые фракции имеют низкие цетановые числа.
В нефтепереработке и химической мотологии нефтепродуктов принято
цетановое число нормального гексадекана или цетана (С16Н34) равным
100 единицам, а цетановое число α-метилнафталина (С11Н10) – равным 0.
Таким образом, цетановым числом дизельного топлива называется объемное процентное содержание цетана в такой его смеси
с α-метилнафталином, которая по воспламеняемости равноценна
испытуемому дизельному топливу.
Современными стандартами установлено, что цетановые числа дизельных топлив, начиная с ЕВРО-3, должны быть не ниже 51. В более ранних
отечественных стандартах и технических условиях на дизельные топлива предусматривалось цетановое число на уровне 40–49, преимущественно не ниже 45.
Определяется цетановое число по ГОСТ 3122 на стандартном двигателе
ИТ-9-3 методом совпадения вспышек (воспламеняемости) при его переводе с
испытуемого топлива на эталонную смесь.
Возможно определение цетанового числа несколькими расчетными
методами: по анилиновой точке, по углеводородному составу, по плотности
и кинематической вязкости.
Цетановое число по анилиновой точке определяется по формуле:
ЦЧ = tА – 15,5,
(5.1)
где tА – температура анилиновой точки, оС.
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Анилиновая точка – это температура взаимной растворимости равных
объемов дизельного топлива и анилина. Она зависит от группового углеводородного состава топлива: чем больше в нем парафиновых углеводородов, тем
выше анилиновая точка, чем больше ароматических углеводородов – тем ниже.
По углеводородному составу цетановое число определяется по другой
формуле:
ЦЧ = 0,85 · ПрУ + 0,1 · НфУ – 0,2 · АрУ,
(5.2)
где ПрУ, НфУ, АрУ – содержание в топливе парафиновых, нафтеновых и
ароматических углеводородов, % мас.
Формула для определения цетанового числа по плотности и кинематической вязкости имеет вид:
ЦЧ = (ν20 + 17,8) 1,5879/  20
4 ,
(5.3)
где ν20 – кинематическая вязкость при 20 оС, мм2/с;  20
4 – относительная
плотность дизельного топлива при 20 оС.
Помимо цетанового числа в дизельных топливах определяется цетановый
(дизельный) индекс, который учитывает как цетановое число, так и испаряемость топлива, характеризует его воспламеняемость и является в большей степени пусковой характеристикой топлива (особенно при низких температурах).
Цетановый (дизельный) индекс можно определить по ГОСТ 27768
исходя из плотности дизельного топлива и его 50%-й точки перегонки:
2
– 0,554 · t + 97,803 · (lgt)2, (5.4)
ЦИ = 454,74 – 1641,41 · ρ15 + 774,74 15
где ρ15 – плотность при 15 оС, кг/м3; t – температура кипения 50%-й (по объему)
фракции, определяемая по ГОСТ 2177, оС; lg – десятичный логарифм.
Формула (5.4) используется для дизельного топлива, полученного прямой перегонкой нефти. На основании этой формулы построена специальная
номограмма, по которой также можно определять цетановый индекс.
Цетановый индекс можно также вычислить по формуле:
ЦИ = tА · ρ/100,
(5.5)
где tА – температура анилиновой точки, оF (оF = 1,8 оС + 32); ρ – плотность в
15
градусах API (ρ(оAPI) = 141,5/ 15
15 – 131,5, где 15 – относительная плотность топлива при 15 оС).
Между цетановым индексом и цетановым числом существует
зависимость:
Дизельный индекс
20
30
40
50
62
70
80
Цетановое число
30
35
40
45
55
60
80
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Большое значение для процесса горения дизельного топлива в двигателе имеет его индукционный период – время от начала впрыска топлива до
начала его воспламенения. При чрезмерно большом индукционном периоде
возгорание топлива запаздывает, оно воспламеняется ближе к верхней мертвой точке расположения поршня, когда в камеру сгорания уже впрыснуто
почти все топливо. В результате этого давление в цилиндре растет очень резко (аномально), что является причиной появления механических стуков в
двигателе, т.е. его жесткой работы. В связи с этим в ряде отечественных марок дизельных топлив нормируется верхний предел индукционного периода.
Определяется индукционный период по ГОСТ 4039.
Плотность. Плотность дизельных топлив нормируется при 20 или 15 оС,
определяет процессы испарения и смесеобразования в двигателе и зависит от
углеводородного и фракционного составов. Наибольшей плотностью обладают
ароматические углеводороды, наименьшей – парафиновые. Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение. Более тяжелое по фракционному составу дизельное топливо имеет и большую плотность.
Более низкая плотность обеспечивает лучшее распыление топлива и
его более полное сгорание, что приводит к меньшему удельному расходу дизельного топлива и снижает дымность выхлопных газов. Однако топлива,
имеющие чрезмерно низкую плотность, обладают и низкими цетановыми
числами, вязкостью и др.
Плотность отечественных дизельных топлив колеблется в довольно
широких пределах, т. к. определяется не только характеристиками исходной
нефти, но и технологией ее переработки.
Определяется плотность по ГОСТ 3900 или ГОСТ Р 51069.
Фракционный состав. Фракционный состав оказывает влияние на
процесс горения дизельного топлива в цилиндрах двигателя. На сгорание
топлива более легкого фракционного состава расходуется меньше воздуха, и
процессы смесеобразования протекают более полно. При значительном понижении температур выкипания топлива к моменту его самовоспламенения
в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров, при этом
горение сопровождается чрезмерным повышением давления и стуками. При
утяжелении дизельных топлив по фракционному составу и, как следствие,
повышении их вязкости отмечается повышенный расход топлива и увеличение дымности выхлопных газов из-за худшего распыла топлива форсунками
и его неполного сгорания.
Расход топлива зависит не только от его температуры конца кипения,
определяющей полноту испарения, но и от температуры выкипания 50 % об.
топлива (или от объема топлива, выкипающего до 250 оС), характеризующей
испаряемость топлива на переходных режимах работы двигателя. Чем выше
температура выкипания 50 % об. (или меньше объем топлива, выкипающего
до 250 оС), тем больше расход топлива.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Чем быстроходнее дизельный двигатель, тем легче по фракционному
составу должно быть топливо для его более быстрого и лучшего испарения.
От фракционного состава зависят плотность, вязкость, температуры
застывания и вспышки, содержание смол в топливе и др.
Определяется фракционный состав по ГОСТ 2177.
Кинематическая вязкость. Кинематическая вязкость является противоизносным свойством, зависит от химического и фракционного составов
топлива и оптимизируется по прокачиваемости, распыляемости и смазывающей способности.
С увеличением вязкости топлива возрастает гидравлическое сопротивление топливной системы, ухудшается распыл топлива форсунками и сокращается коэффициент заполнения топливного насоса высокого давления.
С уменьшением вязкости растет просачиваемость топлива через зазоры
плунжерных пар топливного насоса высокого давления, а также ухудшается
его смазка самим перекачиваемым топливом.
Кинематическая вязкость нормируется при 20 или 40 оС, определяется
по ГОСТ 33 и имеет по вышеуказанным причинам верхнее и нижнее предельные значения.
Смазывающая способность. В современных дизельных топливах для
характеристики их противоизносных свойств, помимо кинематической вязкости, нормируется также смазывающая способность, определяемая как
верхний предел скорректированного диаметра пятна износа при 60 оС. Этот
показатель зависит не только от кинематической вязкости, но и от углеводородного состава, наличия в дизельном топливе сероорганических
соединений, придающих топливу хорошие противоизносные свойства,
и противоизносных присадок.
Зависимость смазывающей способности дизельных топлив от содержания в них сернистых соединений объясняется способностью серы образовывать на поверхностях трения новые химические соединения в виде твердых пленок из оксидов и сульфидов металлов. Эти пленки увеличивают
износостойкость и уменьшают силу трения. В гидроочищенных дизельных
топливах по мере увеличения глубины гидроочистки происходит изменение
не только количества, но и состава сернистых соединений. В топливах с
содержанием серы менее 0,05 % масс. сернистые соединения представлены
относительно стабильными веществами, в основном тиофенами, бенз- и дибензтиофенами, обладающими недостаточной хемосорбционной активностью
для образования поверхностных пленок, препятствующих износу металла.
Оказывает влияние на смазывающую способность дизельных топлив
и состав ароматических углеводородов. Наибольшей смазывающей способностью обладают трициклические ароматические углеводороды, наименьшей – моноциклические, а бициклические имеют промежуточную
смазывающую способность.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таким образом, производство низкосернистых и низкоароматизированных дизельных топлив снижает их смазывающую способность и предполагает необходимость использования противоизносных присадок.
Смазывающая способность определяется по ЕН ИСО 12156 : 1/2000
или по ASTM D 6079.
Низкотемпературные свойства. К низкотемпературным свойствам
дизельных топлив относятся температуры застывания и помутнения и предельная температура фильтруемости.
Температура застывания – это та температура, при которой топливо в пробирке, наклоненной в горизонтальное положение, не смещает свою поверхность в течение 5 секунд.
Эта температура определяет условия складского хранения и транспортирования топлива.
Температура помутнения – это та максимальная температура, при
которой в топливе начинают кристаллизовываться нормальные парафиновые углеводороды и оно меняет прозрачность (мутнеет) в проходящем
свете в сравнении с арбитражным (параллельным) образцом.
Предельная температура фильтруемости – это та максимальная
температура, при которой топливо прекращает просасываться под вакуумом (остаточное давление 1,96 кПа) через стандартный фильтр.
Температура помутнения и предельная температура фильтруемости
определяют условия применения дизельного топлива. Обычно предельная
температура фильтруемости дизельных топлив, не содержащих депрессорные присадки, равна или ниже температуры помутнения на 1–2 оС, а температура застывания ниже температуры помутнения на 5–7 оС. Для топлив, содержащих депрессорные присадки, предельная температура фильтруемости
ниже температуры помутнения на 10 оС и более.
Низкотемпературные свойства дизельных топлив зависят от их углеводородного и фракционного составов. С утяжелением фракционного состава и,
как следствие, с увеличением молекулярной массы углеводородов температуры помутнения и застывания и предельная температура фильтруемости
дизельных топлив повышаются. С увеличением содержания нормальных парафиновых углеводородов эти температуры также повышаются, а с увеличением содержания разветвленных парафиновых углеводородов – снижаются.
Ароматические и нафтеновые углеводороды также способствуют улучшению низкотемпературных свойств дизельных топлив. Температура помутнения дизельного топлива не зависит от суммарного содержания в нем нормальных парафиновых углеводородов, а в основном определяется наличием
этих углеводородов, имеющих большую молекулярную массу.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для обеспечения требуемых низкотемпературных свойств зимние и
арктические марки дизельных топлив получают облегчением их фракционного состава и (или) введением в них депрессорных присадок.
Температуру застывания определяют по ГОСТ 20287, температуру помутнения – по ГОСТ 5066, а предельную температуру фильтруемости –
по ГОСТ 22254.
Температура вспышки в открытом тигле. Этот показатель характеризует пожароопасность дизельного топлива при его хранении и применении.
Чем ниже эта температура, тем большую пожароопасность имеет топливо.
Температура вспышки в закрытом тигле для дизельных топлив определяется по ГОСТ 6356.
Содержание сернистых соединений. В дизельных топливах определяется содержание общей и меркаптановой серы и наличие сероводорода.
Содержание общей и меркаптановой серы оказывает влияние на нагарообразующие свойства дизельных топлив, но главным образом их предельное содержание ограничивается из-за коррозионной агрессивности. По этой
же причине в дизельных топливах должен отсутствовать сероводород.
Кроме того, наличие сернистых соединений в дизельных топливах приводит при их сгорании в двигателе к образованию оксидов серы (SO2 и SO3), которые значительно увеличивают экологическую нагрузку на окружающую среду.
Однако следует отметить, что, как показано выше, наличие сернистых
гетероатомных соединений повышает смазывающую способность дизельных
топлив и улучшает их противоизносные свойства.
Определение содержания общей серы проводят по ГОСТ 19121 или
ГОСТ Р 51947, а меркаптановой серы и сероводорода – по ГОСТ 17323.
Содержание ароматических углеводородов или полициклических
ароматических углеводородов. Содержание ароматических углеводородов
в дизельных топливах стали нормировать сравнительно недавно, что связано
с ужесточением экологических требований. Ароматические углеводороды
и, особенно, полициклические весьма токсичны и канцерогенны, приводят к
загрязнению окружающей среды. Ароматические углеводороды способствуют также образованию нагара на узлах и деталях дизельных двигателей
и увеличению дымности выхлопных газов.
Впервые для отечественных дизельных топлив этот показатель
появился для марок ДЛЭЧ-В (суммарное содержание ароматических углеводородов не более 20 %) и ДЗЭЧ (суммарное содержание ароматических углеводородов не более 10 %) экологически чистого дизельного топлива, выпускавшегося по ТУ 38.1011348-90.
В современных отечественных дизельных топливах, отвечающих требованиям ЕЭС, допустимое содержание полициклических ароматических
углеводородов составляет 11 % мас., а в дизельных топливах, производимых
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в Западной Европе, – 2,0 % мас. Менее жесткие российские требования объясняются отсутствием в отечественной нефтепереработке достаточных мощностей гидродеароматизирующих процессов для облагораживания всего
объема выпускаемых дизельных топлив.
Содержание ароматических углеводородов определяют по ГОСТ 6994,
а полициклических – по ЕН 12916:2000 и IP391-95.
Испытание на медной пластинке (коррозия медной пластинки).
Испытанием на медной пластинке контролируется коррозионная агрессивность дизельных топлив. Этот анализ проводят по ГОСТ 6321 или по
ЕН ИСО 2160:1998.
Дизельные топлива должны быть химически нейтральными и не вызывать коррозию металлов, из которых изготавливают топливную систему
двигателя, а продукты их сгорания – коррозию деталей камеры сгорания и
выхлопной системы.
Концентрация (содержание) фактических смол. Концентрация смол
является показателем нагарообразования и коксоотложений у форсунок дизельного двигателя. Повышенные нагаро- и коксообразование у форсунок приводят к нарушению дисперсности распыления топлива и местным перегревам.
Определяется по ГОСТ 1567 или ГОСТ 8489.
Окислительная стабильность. Окислительная (или химическая) стабильность дизельного топлива – это его способность противостоять окислительным процессам, протекающим при хранении.
При современной тенденции к углублению переработки нефти в состав
дизельных топлив вовлекаются легкие газойли каталитического и термического крекингов, висбрекинга, коксования, которые обогащены ненасыщенными углеводородами, а также содержат значительные количества сернистых, азотистых и смолистых соединений. Наличие гетероатомных соединений, особенно в сочетании с ненасыщенными углеводородами, способствует
их окислительной полимеризации и поликонденсации, тем самым влияя на
образование смол и осадков. Самыми сильными промоторами смоло- и осадкообразования являются азотистые и сернистые соединения.
Окислительная стабильность дизельных топлив определяется по
ЕН ИСО 12205:1996 и по ASTM D 2274-2003.
Содержание воды. Коррозионная агрессивность дизельных топлив и
продуктов их сгорания, помимо других факторов, зависит также от содержания в них воды. Кроме того, от содержания воды зависит теплотворная способность топлива и его низкотемпературные свойства (при отрицательных
температурах окружающего воздуха вода может образовывать кристаллы
льда, которые вызовут нарушения в работе топливной системы).
В современных отечественных дизельных топливах, отвечающих требованиям ЕЭС, воды может содержаться до 200 мг/кг топлива.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание воды определяется по ГОСТ 2477 или по ЕН ИСО
12937:2000.
Содержание механических примесей, общее загрязнение и коэффициент фильтруемости. Эти показатели характеризуют загрязненность дизельных топлив. Грязь и другие механические примеси в дизельных топливах приводят к нарушениям в работе топливной системы и форсунок и абразивному износу узлов и деталей двигателя.
Содержание механических примесей определяется по ГОСТ 10577,
общее загрязнение – по ЕН 12662:1998, а коэффициент фильтруемости –
по ГОСТ 19006.
Зольность. При сгорании в двигателе дизельного топлива может образовываться зола из содержащихся в топливе солей высокомолекулярных органических кислот и несгораемых механических примесей. Зола увеличивает
абразивный износ стенок камер сгорания и выхлопной системы, а также приводит к повышенному нагарообразованию в двигателе, поэтому для дизельных топлив установлен верхний предел зольности.
Зольность определяют по ГОСТ 1461, по ЕН ИСО 6245:2002 или по
ASTM D 482-2003.
Йодное число. Этот показатель характеризует наличие в дизельных
топливах олефиновых углеводородов и в определенной степени указывает на
химическую стабильность топлива.
Йодное число определяется по ГОСТ 2070.
Кислотность. Кислотность является прямым показателем содержания
в дизельных топливах органических кислот и выражается количеством щелочи, пошедшей на их нейтрализацию. Вместе с другими показателями
(испытание на медной пластинке, содержание общей серы и др.) по значению кислотности судят о коррозионной активности дизельных топлив при
хранении, транспортировке и в топливной системе дизельного двигателя.
Кислотность определяют по ГОСТ 5985.
Коксуемость 10%-го остатка перегонки. По коксуемости 10%-го остатка перегонки дизельного топлива судят о его коксообразующей способности. Коксовые отложения образуются в камерах сгорания двигателя,
у форсунок, клапанов и в выхлопной системе и приводят к нарушениям в их
работе и местным перегревам.
Коксуемость 10%-го остатка перегонки дизельных топлив определяют
по ГОСТ 19932, по ЕН ИСО 10370:1995, по ASTM D 189-2001 и
ASTM D 4530-2003.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3. Компонентный состав
Дизельные топлива вырабатываются на нефтеперерабатывающих заводах чаще всего как многокомпонентные топлива, в которые вовлекаются
среднекипящие дистилляты прямой перегонки нефти и легкие газойли вторичных процессов (базовые компоненты). Реже вырабатываются дизельные
топлива, которые содержат только один базовый компонент – прямогонную
нефтяную фракцию, выкипающую в пределах от 180 до 350–360 оС. В современные экологически чистые низкосернистые и низкоароматизированные
дизельные топлива обязательно добавляют присадки различного назначения:
противоизносные, депрессорные и др.
5.3.1. Базовые компоненты
В качестве базовых компонентов дизельных топлив используются
среднекипящие дистилляты прямой перегонки нефти и продукты вторичных
технологических процессов.
Прямогонные базовые компоненты (дизельные нефтяные фракции)
с удовлетворительными для этого вида топлива показателями качества могут быть получены из разных нефтей. Однако если в качестве компонентов топлива используются фракции, полученные из нефтей парафинового
основания, то возможно превышение требуемых температур застывания и
помутнения такого топлива, его коксуемости и зольности и некоторых
других показателей. В этом случае снижают температуру конца кипения
дизельного топлива, подвергают его депарафинизации, добавляют низкокипящие прямогонные и (или) вторичные фракции или депрессорные присадки. Для получения товарных низкосернистых топлив прямогонные
базовые компоненты, полученные из сернистых нефтей, отдельно или в смеси с компонентами вторичного происхождения подвергают гидроочистке.
Для снижения содержания ароматических углеводородов компоненты дизельных топлив облагораживают на процессах каталитической,
адсорбционной или карбамидной депарафинизации.
Легкий газойль каталитического крекинга получают при ректификации
катализата. Он имеет пределы выкипания от 180–200 до 320–360 оС и отличается большим содержанием как ароматических, так и олефиновых углеводородов. Этот базовый компонент также имеет высокое йодное число и склонность
образовывать при хранении и транспортировке смолистые соединения, приводящие к повышению зольности и коксуемости, относительно низкую теплоту
сгорания из-за дефицита атомов водорода в молекулах ароматических и олефиновых углеводородов, обладает повышенной плотностью и сравнительно
низким цетановым числом. Добавляют легкий газойль каталитического крекинга в дизельное топливо в количестве от 20 (наиболее типичное содержание
при получении топлив на нефтеперерабатывающих заводах) до 40 %.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Легкий газойль коксования получают при ректификации продуктов замедленного коксования. Он имеет температуры выкипания от 180–200 до
320–380 оС и содержит большое количество олефиновых углеводородов
(до 30–35 %). Этот базовый компонент дизельных топлив имеет высокое
йодное число и склонность образовывать при хранении и транспортировке
смолистые соединения, приводящие к повышению зольности и коксуемости,
сравнительно низкие цетановые числа, высокое содержание серы и др.
Легкие газойли термического крекинга и висбрекинга получают при
ректификации продуктов этих процессов. По показателям качества эти компоненты во многом схожи с легкими газойлями коксования.
5.3.2. Присадки
Для улучшения тех или иных эксплуатационных показателей качества дизельных топлив в настоящее время широко используются различные присадки:
– цетаноповышающие для увеличения цетанового числа;
– противоизносные для улучшения смазывающей способности глубокоочищенных дизельных топлив;
– депрессорные для понижения предельной температуры фильтруемости и температуры застывания (введение присадок не влияет на температуру
помутнения, т. к. общее содержание нормальных парафиновых углеводородов при этом не снижается);
– противодымные для снижения дымности выхлопных газов;
– моющие для снижения образования отложений во впускной системе
двигателя и в камерах сгорания;
– биоцидные для предупреждения развития микроорганизмов в дизельном топливе (при поставках в страны с жарким и влажным климатом);
– полифункциональные (для одновременного улучшения нескольких
эксплуатационных свойств).
Цетаноповышающие присадки. В качестве цетаноповышающих присадок используются изопропил- или циклогексилнитраты. Их применяют
в крайне ограниченных количествах для повышения цетанового числа на
2–4 единицы, т. к. при этом одновременно понижается температура вспышки
и повышается коксуемость дизельного топлива.
Противоизносные присадки. Механизм действия противоизносных
присадок заключается в образовании модифицированного слоя металла,
обеспечивающего равномерное распределение нагрузки и снижающего
износ в результате химического взаимодействия поверхностно-активных
веществ, входящих в состав присадки, с тонкими пленками оксидов на трущихся поверхностях. Смазывающее действие противоизносных присадок
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обусловлено двумя факторами: адсорбцией присадок на металле и химической активностью присадки по отношению к материалам пары трения.
Степень адсорбции соединений, входящих в состав присадки, напрямую зависит от их полярности, которая определяется стационарным смещением
электронов отдельных атомов молекулы, а также групп атомов, приводящим
к появлению электрического дипольного момента. Чем большей полярностью обладает соединение, тем быстрее происходит модифицирование ювенильных поверхностей пары трения, и образующаяся при этом хемосорбционная пленка эффективнее защищает металл от износа и истирания.
Противоизносные присадки могут содержать в своем составе:
– карбоновые кислоты и (или) их сложные эфиры со спиртами или
с другими соединениями;
– азотсодержащие соединения;
– смесь карбоновых кислот или эфиров и азотсодержащих соединений;
– фосфорсодержащие сложные эфиры.
Рекомендуемые концентрации противоизносных присадок колеблются
в пределах 0,005–0,03 % мас. в зависимости от природы и марки топлива и
глубины его гидрообессеривания.
Депрессорные присадки. В качестве депрессорных присадок в дизельных топливах используют продукт синтеза на основе сополимеров этилена с
винилацетатом. Механизм действия этих присадок заключается в модификации
структуры кристаллизующихся парафинов топлива и уменьшении их размеров.
Концентрация присадки в топливе зависит от типа перерабатываемой
нефти, состава и технологии получения дизельного топлива и составляет в
среднем 0,02–0,05 % мас.
Противодымные присадки. Добавка этого вида присадок в дизельные
топлива снижает дымность и токсичность выхлопных газов дизелей
на 30–50 %. Активным веществом в этих присадках является барий.
Моющие присадки. Применение дизельных топлив, как уже отмечалось, сопровождается образованием отложений во впускной системе двигателя, форсунках, в топливном баке, а также нагара в камере сгорания. Это
приводит как к снижению рабочих характеристик двигателя, так и к увеличению токсичности выхлопных газов. Наиболее эффективным способом
борьбы с образованием отложений во впускной системе двигателя является
применение специальных моющих или полифункциональных присадок, добавляемых к дизельным топливам в количестве 0,001–0,10 % мас.
Полифункциональные присадки представляют собой композицию
присадок, каждая из которых улучшает то или иное эксплуатационное свойство. В некоторых случаях в качестве полифункциональной может использоваться одна присадка, позволяющая одновременно улучшить сразу несколько
эксплуатационных свойств дизельного топлива.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.4. Ассортимент и марки современных дизельных топлив
Дизельные топлива для быстроходных двигателей в России выпускаются по ГОСТ 305 (три марки – Л, З и А) и ряду технических условий:
ТУ 38.401-58-110-94 (экспортное дизельное топливо), ТУ 38.101889-81 и
ТУ 38.401-58-38-92 (зимние дизельные топлива с депрессорными присадками),
ТУ 38.401 (арктическое экологически чистое дизельное топливо),
ТУ 38.1011348-90 и ТУ 38.401-58-296-01 (экологически чистое дизельное
топливо), ТУ 38.401-58-170-96 (городское дизельное топливо). Следует отметить, что по этим нормативным документам производятся дизельные топлива как из нефтяного сырья, так и из газоконденсатного. Требования к показателям качества дизельных топлив, выпускаемых по ГОСТ 305, приведены в
табл. 5.4, по ТУ 38.1011348-90 – в табл. 5.5, а по ТУ 38.401-58-296-01 – в табл. 5.6.
Таблица 5.4
Характеристики дизельного топлива по ГОСТ 305
Норма для марок
Показатели
Цетановое число, не менее
Фракционный состав:
– 50 % перегоняется при температуре, оС, не выше
– 90 % перегоняется при температуре (конец перегонки), оС, не выше
Кинематическая вязкость при 20 оС, мм2/с
Температура застывания, оС, не выше, для климатической зоны:
– умеренной
– холодной
Температура помутнения, оС, не выше, для климатической зоны:
– умеренной
– холодной
Температура вспышки в закрытом тигле, оС, не ниже:
– для тепловозных и судовых дизелей и газовых
турбин
– для дизелей общего назначения
Массовая доля серы, %, не более, в топливе:
– вида I
– вида II
Массовая доля меркаптановой серы, %, не более
Содержание фактических смол, мг/100 см3 топлива,
не более
Кислотность, мг КОН/100 см3 топлива, не более
120
Л
З
А
45
45
45
280
280
255
360
3,0–6,0
340
1,8–5,0
330
1,5–4,0
–10
–
–35
–45
–
–55
–5
–
–25
–25
–
–
62
40
40
35
35
30
0,20
0,50
0,01
0,20
0,50
0,01
0,20
0,40
0,01
40
5
30
5
30
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 5.4
Норма для марок
Показатели
Йодное число, г I2 / 100 г топлива, не более
Зольность, %, не более
Коксуемость 10%-го остатка, %, не более
Коэффициент фильтруемости, не более
Плотность при 20 оС, кг/м3, не более
Л
З
А
6
0,01
0,20
3
860
6
0,01
0,30
3
840
6
0,01
0,30
3
830
П р и м е ч а н и е. Для топлив марок Л, З, А содержание сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды – отсутствие; испытание на
медной пластинке – выдерживают.
Таблица 5.5
Характеристики экологически чистого дизельного топлива по ТУ 38.1011348-90
Нормы для марок
Показатели
Цетановое число, не менее
Фракционный состав:
– 50 % перегоняется при температуре, оС, не выше
– 90 % перегоняется при температуре (конец перегонки), оС, не выше
Кинематическая вязкость при 20 оС, мм2/с
Температура, оС, не выше:
– застывания
– предельной фильтруемости
Температура вспышки в закрытом тигле, оС, не ниже:
– для тепловозных и судовых дизелей и газовых
турбин
– для дизелей общего назначения
Массовая доля серы, %, не более, в топливе:
– вида I
– вида II
Испытание на медной пластинке
Кислотность, мг КОН/100 см3 топлива, не более
Зольность, %, не более
Коксуемость 10%-го остатка, %, не более
Цвет, ед. ЦНТ, не более
Содержание механических примесей и воды
Плотность при 20 оС, кг/м3, не более
Содержание ароматических углеводородов, %,
не более
ДЛЭЧ-В
ДЛЭЧ
ДЗЭЧ
45
45
45
280
280
280
360
3,0–6,0
360
3,0–6,0
340
1,8–5,0
–10
–5
–10
–5
–35
–25
62
40
62
40
40
35
0,05
0,1
5,0
0,01
0,2
2,0
860
20
0,05
0,1
Выдерживает
5,0
0,01
0,2
2,0
Отсутствие
860
–
0,05
0,1
5,0
0,01
0,2
2,0
840
10
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5.6
Требования к качеству дизельных топлив по ТУ 38.401-58-296-01
Показатели
Значения
Цетановое число
Цетановый индекс
Плотность при 15 оС, кг/м3
Содержание полициклических ароматических углеводородов, % мас.,
не более
Содержание серы, мг/кг, не более
Температура вспышки в закрытом тигле, оС
Коксовый остаток (10%-го остатка перегонки), % мас., не более
Зольность, % мас., не более
Содержание воды, мг/кг, не более
Общее загрязнение, мг/кг, не более
Коррозионная агрессивность меди (3 ч при 50 оС)
Окислительная стабильность, г/м3, не более
Смазывающая способность, скорректированный диаметр пятна
износа (WS 1,4) при 60 оС, мкм, не более
Кинематическая вязкость при 40 оС, мм2/с
Фракционный состав:
– перегоняется до 250 оС, % об., не более
– перегоняется до 350 оС, % об., не менее
– 95 % об. перегоняется при температуре, оС, не выше
51,0
46,0
820–845
11
350
Выше 55
0,30
0,01
200
24
Класс 1
25
460
2,00–4,50
65
85
360
Для повышения глубины переработки жидкого углеводородного сырья
и увеличения выпуска светлых моторных топлив без соответствующего роста объемов перерабатываемого сырья разработаны технические условия на
выпуск дизельных топлив: утяжеленного фракционного состава УФС
(ТУ 38.001355-86) и расширенного фракционного состава РФС-Л
(ТУ 38.401-58-73-93). Отличительными особенностями первого являются
тяжелый фракционный состав (90 % об. перегоняется при температуре
не выше 360 оС) и сравнительно высокое содержание общей серы (не более
0,5 % мас.). Второе топливо отличается от обычных дизельных топлив также
широким фракционным составом (до 150 оС перегоняется не менее 10 % об.,
а 90 % об. выкипает при температуре не выше 360 оС), температурой вспышки в закрытом тигле (не ниже 20 оС против 30–62 оС у обычных) и содержанием общей серы (от 0,1 до 0,5 % мас. в зависимости от вида).
Специально для газовых конденсатов разработаны технические условия
на две марки дизельных топлив: газоконденсатное зимнее топливо широкого
фракционного состава (ТУ 51-28-86), вырабатываемое ООО «Сургутгазпром»,
и газоконденсатное экологически чистое топливо (ТУ 51-31323949-73-02),
предполагаемое к выпуску на Астраханском ГПЗ. Требования к показателям
качества газоконденсатного зимнего дизельного топлива широкого фракционного состава по ТУ 51-28-86 приведены в табл. 5.7.
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5.7
Требования качества к газоконденсатному дизельному топливу
широкого фракционного состава (ТУ 51-28-86)
Наименование показателей
Значение
Цетановое число, не менее
Фракционный состав:
– 10 % об. перегоняется при температуре, оС, не ниже
– 50 % об. перегоняется при температуре, оС, не ниже
– 96 % об. перегоняется при температуре, оС, не выше
40
120
260
340
Вязкость кинематическая при 20 оС, мм/с, в пределах
Температура застывания, оС, не выше, для климатической зоны:
– умеренной
– холодной
Температура помутнения, оС, не выше, для климатической зоны:
– умеренной
– холодной
1,45
–35
–45
–25
–35
Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, оС,
не ниже
Массовая доля, %, не более:
– общей серы
– меркаптановой серы
Содержание сероводорода
Зольность, %, не более
Коксуемость 10%-го остатка, %, не более
0,2
0,01
Отсутствие
0,01
0,2
Коэффициент фильтруемости, не более
Содержание механических примесей
3
Отсутствие
Испытание на медной пластинке
Содержание водорастворимых кислот и щелочей
Содержание воды
Содержание фактических смол, мг/100 см, не более
12
Выдерживает
Отсутствие
Отсутствие
30
Плотность при 20 оС, кг/м, не более
840
С 1 июля 2006 года введен в действие ГОСТ Р 52368 (ЕН 590:2004)
(табл. 5.8–5.10).
Таблица 5.8
Требования к дизельному топливу ЕВРО по ГОСТ Р 52368
Показатели
Значения
Цетановое число, не менее
Цетановый индекс, не менее
Плотность при 15 оС, кг/м3
Полициклические ароматические углеводороды, % (по массе), не более
Содержание серы, мг/кг, не более:
– вид I
– вид II
– вид III
51,0
46,0
820–845
11
350,0
50,0
10,0
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 5.8
Показатели
Значения
о
Температура вспышки в закрытом тигле, С, выше
Коксуемость 10%-го остатка разгонки, % (по массе), не более
Зольность, % (по массе), не более
Содержание воды, мг/кг, не более
Общее загрязнение, мг/кг, не более
Коррозия медной пластинки (3 ч при 50 оС), единицы по шкале
Окислительная стабильность:
– общее количество осадка, г/м3, не более
Смазывающая способность:
– скорректированный диаметр пятна износа при 60 оС, мкм, не более
Кинематическая вязкость при 40 оС, мм2/с
Фракционный состав:
– при температуре 250 оС, % (по объему), менее
– при температуре 350 оС, % (по объему), не менее
– 95 % (по объему) перегоняется при температуре, оС, не выше
Содержание метиловых эфиров жирных кислот, % (по объему), не более
55
0,30
0,01
200
24
Класс 1
25
460
2,00–4,50
65
85
360
5
Таблица 5.9
Требования к дизельному топливу ЕВРО для умеренного климата
Значение для сорта
Показатель
Предельная температура фильтруемости, оС, не выше
A
B
C
D
E
F
5
0
–5
–10
–15
–20
Таблица 5.10
Требования к дизельному топливу ЕВРО для холодного и арктического климата
Значение для класса
Показатели
Предельная температура
фильтруемости, оС, не выше
Температура помутнения, оС,
не выше
Плотность при 15 оС, кг/м3
Кинематическая вязкость
при 40 оС, мм2/с
Цетановое число, не менее
Цетановый индекс, не менее
Фракционный состав:
– до температуры 180 оС,
% (по объему),не более
– до температуры 340 оС,
% (по объему), не менее
124
0
1
2
3
4
–20
–26
–32
–38
–44
–10
800–845
–16
800–845
–22
800–840
–28
800–840
–34
800–840
1,50–4,00
49,0
46,0
1,50–4,00
49,0
46,0
1,50–4,00
48,0
46,0
1,40–4,00
47,0
43,0
1,20–4,00
47,0
43,0
10
10
10
10
10
95
95
95
95
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По ГОСТ Р 52368 (ЕН 590:2004) предусматривается выпуск дизельного
топлива ЕВРО трех видов: с содержанием серы не более 350, 50 и 10 мг/кг, при
этом содержание полициклических ароматических углеводородов во всех трех
видах не превышает 11 % мас. По климатическим условиям применения дизельное топливо ЕВРО подразделяется на 6 сортов (A, B, C, D, E, F) для умеренного
климата и на 5 классов (0, 1, 2, 3, 4) для холодного и арктического климата.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие общие требования предъявляются к современным дизельным топливам?
2. Какие требования, связанные с работой двигателя, предъявляются к дизельным топливам?
3. Какие экологические классы установлены для дизельных топлив техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину,
дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному
мазуту», и по каким основным показателям качества эти классы различаются?
4. Назовите основные нормируемые показатели качества, общие для всех
марок дизельного топлива.
5. Дайте определения показателям качества дизельных топлив «цетановое
число» и «цетановый индекс». Что эти показатели характеризуют? Постройте убывающий ряд цетановых чисел различных групп углеводородов.
6. Какое свойство дизельного топлива определяет его кинематическая вязкость,
и почему нормируются нижний и верхний пределы этого показателя?
7. Какие показатели качества дизельного топлива определяют его низкотемпературные свойства?
8. Почему в дизельных топливах нормируется содержание сернистых соединений и ароматических (полиароматических) углеводородов?
9. Какие нефтепродукты и почему используются в качестве базовых компонентов дизельных топлив?
10. Какие свойства дизельных топлив улучшают добавляемые к ним присадки?
11. Назовите ассортимент и марки современных дизельных топлив.
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА
6
ТЯЖЕЛЫЕ МОТОРНЫЕ И СУДОВЫЕ ТОПЛИВА
Тяжелые моторные и судовые топлива используются в судовых энергетических установках.
К тяжелым моторным топливам относятся флотские мазуты и моторные топлива для среднеоборотных и малооборотных (тихоходных) дизелей (средневязкое судовое топливо).
К судовым топливам относятся дистиллятное (маловязкое) и остаточные
(высоковязкие) топлива.
Эти топлива предназначены для мощных среднеоборотных и тихоходных дизельных двигателей с числом оборотов коленчатого вала в минуту от
150 до 500, которые применяются на больших судах (дизель-электроходах).
К тяжелым моторным и судовым топливам предъявляются следующие
требования:
– высокая теплота и полнота сгорания, т. к. от этого зависят мощность
судового дизеля и дальность плавания судна;
– хорошая прокачиваемость по топливной системе судна;
– при применении на судах распыл топлив до грубодисперсного состояния в камере сгорания дизеля и создание топливовоздушной смеси, устойчиво
сгорающей при различных режимах работы двигателя;
– низкая пожароопасность;
– экологическая безопасность;
– низкая коррозийная и эрозийная агрессивность;
– чистота.
6.1. Общие требования к тяжелым моторным
и судовым топливам
Общие требования к современным тяжелым моторным и судовым топливам делятся на четыре группы: требования, связанные с работой судового
дизельного двигателя; эксплуатационные требования; требования, обусловленные необходимостью и возможностью массового производства; экологические требования.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.1.1. Требования, связанные с работой судового двигателя
Как уже отмечалось выше, дизельный двигатель, устанавливаемый на
больших судах и кораблях, отличается от дизельных двигателей, применяемых, например, на автотранспорте, низким числом оборотов коленчатого вала
(150–500 против 800 и более). Низкое число оборотов в судовых дизелях
обеспечивает нормальное воспламенение и сгорание тяжелого топлива даже
при его грубом распылении форсунками. Этот вид топлива имеет низкие
температуры самовоспламенения, поэтому для него не нормируется цетановое число (кроме маловязкого судового топлива).
В целом для нормальной и эффективной работы судового (корабельного)
дизельного двигателя необходимо следующее:
1. Топливо должно максимально полно сгорать на всех режимах работы двигателя. Горение топлива в камере сгорания должно быть устойчивым
на всех режимах работы двигателя с необходимыми мощностными, экономическими и экологическими показателями. Неполное сгорание приводит к
отложению нагара на узлах и деталях турбины, увеличению содержания сажи и токсичных компонентов в отработанных газах и расхода топлива.
По этому требованию регламентируют вязкость и теплоту сгорания
тяжелых моторных и судовых топлив, содержание в них неуглеводородных
и коксообразующих компонентов.
2. Применяемое топливо должно обеспечивать хорошие пусковые
характеристики двигателя при любых температурах, его быстрый прогрев и
высокую приемистость (переход с одного режима работы на другой), надежную работу форсунок, минимальное образование отложений во впускной
системе и камере сгорания.
Это требование регламентирует такие показатели качества топлив, как
вязкость, плотность и др.
3. Тяжелые моторные и судовые топлива не должны вызывать усиленную
коррозию узлов и деталей двигателя, а также их ускоренный эрозийный износ.
Для обеспечения этого требования в топливах нормируются содержание металлоорганических соединений ванадия, а также содержание общей
и меркаптановой серы, сероводорода, воды и механических примесей.
6.1.2. Эксплуатационные требования
Тяжелые моторные и судовые топлива после их производства на нефтеперерабатывающих заводах должны транспортироваться и храниться на
флотских складах и нефтебазах. Транспортирование, хранение и применение
этих топлив происходит в различных климатических условиях при температуре окружающего воздуха от –60 до +40–45 оС. Следовательно, состав этого
вида топлива, как и других, должен исключать возникновение трудностей
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при выполнении перечисленных операций в любых климатических условиях
и при этом сохранять свои основные эксплуатационные показатели качества
с возможно меньшими потерями.
Требования эксплуатации регламентируют такие свойства топлив, как
химическая стабильность при хранении, прокачиваемость, зависящая от температуры застывания, вязкость, содержание механических примесей и воды,
коррозионно-агрессивных соединений и др.
6.1.3. Требования производства
Тяжелые моторные и судовые топлива производят из атмосферных и вакуумных дистиллятов и остатков прямой перегонки нефти и дистиллятов и остатков вторичных процессов (каталитического и термического крекингов,
замедленного коксования и др.). В большинстве случаев прямогонные дистилляты и остатки на нефтеперерабатывающем заводе могут одновременно являться компонентами других видов топлив или сырья вторичных процессов
глубокой переработки нефти, а вторичные дистилляты и остатки – компонентами других видов топлив, например газотурбинного. Вследствие этого каждый нефтеперерабатывающий завод осуществляет выбор того или иного направления переработки нефти и ассортимента получаемых нефтепродуктов в
зависимости от конъюнктуры рынка и с целью максимизации извлечения
прибыли.
При наличии на нефтеперерабатывающем заводе процессов глубокой
переработки тяжелого дистиллятного и остаточного сырья производимые
тяжелые моторные и судовые топлива вместо более дорогих видов моторных
топлив и (или) сырья для нефтехимии должны обеспечивать рентабельность
производства. При отсутствии таковых процессов производимые тяжелые
моторные и судовые топлива позволяют повысить рентабельность производства из-за дополнительного выпуска моторных топлив взамен котельных
(самого неквалифицированного вида топлива).
6.1.4. Экологические требования
Тяжелые моторные и судовые топлива, как и другие виды моторных
топлив, являются загрязнителями окружающей среды, хотя и применяются
на морских и речных просторах, где наблюдается большое рассеяние токсичных отработанных газов.
Воздействие этих топлив на окружающую среду связано с токсичностью составляющих их углеводородов и неуглеводородных примесей и продуктов сгорания.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Токсичность обусловливается химическим составом топлива. Она тем
выше, чем больше в нем содержится непредельных и ароматических углеводородов и сероорганических соединений.
В связи с этим в тяжелых моторных и судовых топливах нормируются
содержание общей серы, сероводорода, а в некоторых марках – и йодное число.
В соответствии с техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», утвержденным Постановлением Правительства РФ от 27.02.2008 г. № 118, производство судового
топлива по показателю «массовая доля серы, не более» осуществляется:
– с показателем 3,5 % – до 31 декабря 2010 года;
– с показателем 2,0 % – до 31 декабря 2012 года;
– с показателем 1,5 % – с 1 января 2013 года.
По этому регламенту температура вспышки судовых топлив в закрытом тигле должна быть не ниже 61 оС.
6.2. Основные нормируемые показатели качества
тяжелых моторных и судовых топлив
К основным нормируемым показателям качества тяжелых моторных
и судовых топлив относятся:
– вязкость (кинематическая, условная и динамическая);
– содержание общей и меркаптановой серы, сероводорода и ванадия;
– теплота сгорания;
– температура застывания;
– содержание воды и механических примесей;
– зольность;
– плотность;
– коксуемость;
– температура вспышки (в закрытом и открытом тиглях);
– йодное число.
Вязкость (кинематическая, условная и динамическая). Эта техническая характеристика является важнейшей для тяжелых моторных и судовых
топлив. Она определяет методы и продолжительность сливо-наливных операций, условия перевозки и перекачки, гидравлические сопротивления при
транспортировании этих топлив по трубопроводам, эффективность работы
форсунок дизельных двигателей. От нее в значительной степени зависят также скорость осаждения механических примесей и воды при хранении топлив.
Для рассматриваемых топлив характерна аномалия вязкости: после
термической обработки или соответствующего механического воздействия
повторно определяемая при той же температуре вязкость оказывается ниже
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
начальной. Это объясняется присутствием в топливах высокомолекулярных
парафиновых углеводородов и асфальто-смолистых веществ: чем их больше
в топливе, тем выше вязкость и начальное напряжение сдвига:
lgη20 = 0,0227 · ПрУ · Ас,
(6.1)
где ПрУ – содержание парафиновых углеводородов, %; Ас – содержание асфальто-смолистых веществ, %.
Для разных марок тяжелых моторных и судовых топлив определяют
кинематическую и условную вязкости (соответственно по ГОСТ 33 и
ГОСТ 6258), а для флотского мазута марки Ф-5 – и динамическую вязкость по ГОСТ 7163.
Содержание общей и меркаптановой серы, сероводорода и ванадия.
Основная причина ограничения содержания общей и меркаптановой серы и
сероводорода в тяжелых моторных и судовых топливах – это защита окружающей среды от оксидов серы SO2 и SO3, образующихся при сгорании топлив в двигателях. Кроме того, сернистые соединения, содержащиеся в топливах, являются весьма токсичными веществами, что следует учитывать при
хранении и применении.
Другая, не менее важная причина ограничения содержания сернистых
соединений, а в средневязком судовом топливе и ванадия – это их коррозионная агрессивность, приводящая к преждевременному выходу из строя узлов и деталей судового двигателя.
Определение содержания общей серы проводят по ГОСТ 1437,
меркаптановой серы и сероводорода – по ГОСТ 17323, ванадия – по
ГОСТ 10364.
Теплота сгорания. От теплоты сгорания топлива зависят его расход и,
следовательно, дальность хода судна или корабля. Теплота сгорания тяжелых моторных и судовых топлив зависит, как и в других видах углеводородных топлив, от соотношения водорода и углерода, элементного состава топлива и его зольности. Чем выше соотношение водорода и углерода, меньше
содержание гетероорганических соединений и зольность, тем выше теплота
сгорания топлива.
Для тяжелых моторных и судовых топлив нормируется низшая теплота
сгорания, которая рассчитывается по уравнениям (2.3) или (2.4) или определяется по ГОСТ 21261.
Температура застывания. Как и вязкость, температура застывания
характеризует условия слива и перекачки топлива. Она зависит от качества
перерабатываемой нефти и способа получения топлива. Тяжелые моторные
топлива, получаемые смешением остаточных и дистиллятных фракций нефти
(флотский мазут Ф-5 и топлива марок ДТ и ДМ), довольно нестабильны: при
хранении их температура застывания может повышаться на 4–15 оС.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Температура застывания – это та температура, при которой топливо в пробирке, наклоненной в горизонтальное положение, не смещает свою поверхность в течение 5 секунд.
Определяют температуру застывания по ГОСТ 20287.
Содержание воды и механических примесей. Эти компоненты являются нежелательными составляющими тяжелых моторных и судовых топлив, т. к. в результате попадания глобул воды на поверхности трения деталей, прецизионных пар плунжерных топливных насосов и, как следствие,
нарушения условий смазывающей способности топлив возможно зависание
плунжеров и форсуночных игл. В то же время наличие воды, равномерно
распределенной по всему объему топлива, оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойства топлив. Испарение мелкодисперсных
частиц воды происходит мгновенно в виде «микровзрыва», процесс сгорания
протекает плавно и с достаточной полнотой, что приводит к снижению
удельного расхода топлива и дымности отработанных газов.
Механические примеси засоряют фильтры и форсунки, нарушая процесс распыливания топлива.
Содержание воды определяют по ГОСТ 2477, а механических примесей – по ГОСТ 6370.
Зольность. Зольность характеризует наличие в топливах солей металлов, способных при сгорании образовывать золу, откладывающуюся на внутренних стенках цилиндров, клапанах, в системе выпуска отработанных газов.
Зольность определяется по ГОСТ 1461.
Плотность. Плотность характеризует энергетические свойства тяжелых моторных и судовых топлив и определяется по ГОСТ 3900.
Стандартами на тяжелые моторные и судовые топлива регламентируется максимально допустимое значение плотности при температуре 20 оС.
Верхний предел плотности в этих топливах ограничен повышением коксуемости, зольности, вязкости, температуры застывания и содержанием тяжелых металлов (ванадия). Однако следует отметить, что чем выше плотность
топлива, тем его большее массовое количество войдет в топливные баки (бункеры), имеющие на водном транспорте ограниченный объем, и тем больше
будет дальность хода корабля или судна. Топливо с большей плотностью
имеет и большую объемную теплоту сгорания.
Плотность зависит от фракционного и химического состава топлива.
При увеличении содержания тяжелых фракций, ароматических углеводородов и уменьшении содержания парафиновых углеводородов плотность топлива повышается. Однако при повышении содержания тяжелых фракций и
ароматических углеводородов могут не соблюдаться другие нормируемые
показатели качества (например, теплота сгорания, зольность и др.).
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коксуемость. Коксуемость характеризует способность тяжелых
моторных и судовых топлив при их нагревании без доступа воздуха при
высоких температурах (500–520 оС) образовывать коксовые отложения.
По коксуемости судят о потенциальной возможности топлива образовывать
коксовые отложения в зонах высоких температур, имеющихся в судовом
двигателе (стенки камеры сгорания, форсунки, поршни, система вывода отработанных газов и др.). Коксовые отложения приводят к местным перегревам узлов и деталей двигателя, следовательно, к снижению мощности, к прогарам и другим негативным явлениям.
Коксуемость определяется по ГОСТ 8852 или ГОСТ 19932.
Температура вспышки (в закрытом и открытом тиглях). Этот показатель характеризует пожароопасность тяжелых моторных и судовых топлив при их хранении и применении в закрытых трюмах и машинных отделениях водного транспорта и боевых кораблей. Чем ниже эта температура, тем
большую пожароопасность имеет топливо.
Температура вспышки в закрытом тигле по ГОСТ 6356 определяется
практически для всех тяжелых моторных и судовых топлив, кроме судовых
высоковязких топлив марок СВТ и СВС, для которых определяется температура вспышки в открытом тигле по ГОСТ 4333.
Йодное число. Этот показатель качества нормируется только для
маловязкого судового топлива, в состав которого могут входить легкие и тяжелые газойли каталитического и термического крекингов и коксования,
содержащие большое количество олефиновых углеводородов. Эти углеводороды весьма химически нестабильны, имеют высокую реакционную способность и при хранении могут полимеризовываться, осмоляться и претерпевать
другие химические превращения. Продукты этих превращений приводят к повышенному образованию отложений и нагара в дизельном судовом двигателе.
Йодное число определяется по ГОСТ 2070.
6.3. Компонентный состав
Тяжелые моторные и судовые топлива вырабатываются на нефтеперерабатывающих заводах как многокомпонентные топлива, в которые вовлекаются дистилляты и остатки прямой перегонки нефти и продукты вторичных процессов (базовые компоненты). В зависимости от типа топливо может
содержать любые фракции – от керосиновых до мазутных.
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3.1. Базовые компоненты
В качестве базовых компонентов тяжелых моторных и судовых топлив
могут использоваться средне- и высококипящие дистилляты прямой перегонки нефти и продукты вторичных технологических процессов, а также
нефтяные остатки типа мазута.
Прямогонные базовые компоненты (керосино-газойлевые, дизельные и
мазутные) с удовлетворительными для этого вида топлива показателями качества могут быть получены из различных нефтей. Если же в качестве компонентов топлива используются тяжелые фракции углеводородного сырья или
мазут, особенно полученные из нефтей парафинового основания, то возможно
превышение требуемых температуры застывания такого топлива, его коксуемости и зольности и некоторых других показателей. В таком случае дополнительно
к этим компонентам добавляют низкокипящие прямогонные и (или) вторичные
фракции или депрессорные присадки.
Легкий и тяжелый газойли коксования получают при ректификации
продуктов замедленного коксования. Они имеют температуры выкипания от
180–200 до 320–380 оС и содержат большое количество олефиновых углеводородов (до 30–35 %). Эти базовые компоненты тяжелых моторных и судовых топлив имеют высокое йодное число и склонность образовывать при
хранении и транспортировке смолистые соединения, приводящие к повышению зольности и коксуемости, но практически не содержат тяжелых металлоорганических соединений.
Легкий и тяжелый газойли термического крекинга получают при ректификации продуктов процессов термического крекинга или висбрекинга.
По своим показателям качества эти компоненты во многом схожи с газойлями коксования.
Легкий и тяжелый газойли каталитического крекинга получают при
ректификации катализата. Они имеют суммарные пределы выкипания от
180–200 до 380–450 оС и отличаются значительным содержанием как ароматических, так и олефиновых углеводородов. Эти базовые компоненты также
имеют высокое йодное число и склонность образовывать при хранении и
транспортировке смолистые соединения, приводящие к повышению зольности и коксуемости, сравнительно низкую теплоту сгорания из-за дефицита
атомов водорода в молекулах ароматических и олефиновых углеводородов,
но при этом обладают повышенной плотностью и не содержат тяжелых металлоорганических соединений.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3.2. Присадки
Для снижения температуры застывания тяжелых моторных и судовых
топлив могут применяться депрессорные присадки, которые как правило представляют собой продукт синтеза на основе сополимеров этилена с
винилацетатом. Механизм действия этих присадок заключается в модификации
структуры кристаллизующихся парафинов топлива и уменьшении их размеров.
Концентрация присадки в топливе зависит от типа перерабатываемой
нефти, состава и технологии получения топлива и составляет в среднем
0,02–0,05 % мас.
6.4. Ассортимент и марки топлив
Флотские мазуты, относящиеся к тяжелым моторным топливам и выпускаемые в России по ГОСТ 10585, предназначены для сжигания в судовых
и корабельных энергетических установках. Основные требования к качеству
флотских мазутов приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Основные требования к показателям качества флотских мазутов по ГОСТ 10585
Марки топлива
Показатели
Вязкость при 50 оС, не более:
– условная, оВУ
– соответствующая ей кинематическая, мм2/с
Динамическая вязкость при 0 оС, Па·с, не более
Зольность, %, не более, для мазута:
– малозольного
– зольного
Массовая доля, %, не более:
– механических примесей
– воды
Массовая доля серы, %, не более, для мазута
видов:
–I
– II
– III
– IV
–V
– VI
– VII
134
Ф-5
Ф-12
5,0
36,2
2,7
12,0
89,0
–
–
0,05
–
0,10
0,10
0,3
0,12
0,3
–
1,0
–
2,0
–
–
6,0
–
0,6
–
–
–
–
6,0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 6.1
Марки топлива
Показатели
Коксуемость, %, не более
Температура вспышки в закрытом тигле, оС,
не ниже
Температура застывания, оС, не выше
Теплота сгорания (низшая) в пересчете на сухое
топливо, кДж/кг, не менее, для мазута видов:
– I, II, III, IV
– V, VI, VII
Плотность при 20 оС, кг/м3, не более
Ф-5
Ф-12
6,0
6,0
80
–5
90
–8
41 154
–
955
41 154
–
960
П р и м е ч а н и е . Для всех марок топлива содержание водорастворимых кислот и
щелочей, сероводорода – отсутствие.
Флотский мазут марки Ф-5 получают смешением продуктов прямой
перегонки нефти. В большинстве случаев он представляет собой смесь
60–70 % прямогонного мазута и 30–40 % дизельного топлива с добавлением
депрессорной присадки. Допускается использовать в его составе до 22 % керосино-газойлевых фракций вторичных процессов, в том числе легкого газойля каталитического и термического крекингов.
Флотский мазут марки Ф-12 вырабатывают в небольших количествах
на установках прямой перегонки нефтей. Для вида II он отличается от флотского мазута марки Ф-5 более жесткими требованиями по содержанию серы
(не более 0,6 % против не более 1,0 %) и более мягкими – по вязкости при
50 оС (не более 12 оВУ против не более 5 оВУ).
В тихоходных дизелях, которые могут использоваться не только на кораблях и судах, но и на стационарных установках, применяют моторные
топлива для среднеоборотных и малооборотных дизелей марок ДТ и ДМ
(средневязкие судовые дизельные топлива), выпускаемые по ГОСТ 1667.
В отличие от флотских мазутов они могут состоять из значительно более
широкого ассортимента компонентов. Обычно эти топлива получают смешением остаточных и среднедистиллятных фракций (негидроочищенные
прямогонные атмосферные и вакуумные дистилляты, а также продукты вторичного происхождения, например легкие и тяжелые газойли термического
и каталитического крекингов и коксования). Производство моторного топлива таких марок в принципе возможно из газоконденсатных остатков, выкипающих при температуре выше 320–350 оС (мазутов, вакуумных дистиллятов и продуктов их термодеструктивной переработки). Отличительными
особенностями моторных топлив марок ДТ и ДМ от дизельных топлив для
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
быстроходных двигателей являются отсутствие требований по цетановому
числу, повышенное содержание общей серы (0,5–1,5 % мас. для марки ДТ и
2,0 % мас. для марки ДМ), наличие механических примесей (до 0,05–0,1 % мас.),
воды (до 0,5 % мас.) и ванадия (до 0,01–0,015 % мас.) и др. Все эти отличия
связаны с более тяжелым фракционным составом топлив марок ДТ и ДМ по
сравнению с дизельными топливами для быстроходных дизелей.
По вязкости топливо марки ДТ приближается к флотскому мазуту Ф-5. Требования к показателям качества топлива марок ДТ и ДМ приведены в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Основные требования к показателям качества моторного топлива
для среднеоборотных и малооборотных дизелей по ГОСТ 1667
Марки топлива
Показатели
ДТ
ДМ
0,930
0,970
15
15
36
130
2,95
17,4
Коксуемость, %, не более
3,0
9,0
Зольность, %, не более
0,04
0,06
– в малосернистом топливе
0,5
2,0
– в сернистом топливе
1,5
2,0
– механических примесей
0,05
0,1
– воды
0,5
0,5
0,015
0,01
– вспышки в закрытом тигле, не ниже
65
85
– застывания, не выше
–5
10
Плотность при 20 оС, г/см3, не более
Фракционный состав:
– до 250 оС перегоняется, %, не более
Вязкость при 50 оС:
– кинематическая, мм2/с, не более
о
– соответствующая ей условная, ВУ, не более
Массовая доля серы, %, не более:
Массовая доля, %, не более:
– ванадия
Температура, оС:
П р и м е ч а н и е . Для всех марок топлива содержание сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей – отсутствие.
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Судовое маловязкое топливо, выпускаемое по ТУ 38.101567-87, является среднедистиллятным топливом и предназначено для применения
в судовых энергетических установках вместо дизельного. Требования к показателям качества этого топлива приведены в табл. 6.3.
Таблица 6.3
Характеристики маловязкого судового топлива (ТУ 38.101567-87)
Наименование показателей
Показатели
Вязкость:
– условная при 20 оС, оВУ, не более
– соответствующая ей кинематическая, мм/с, не более
Цетановое число, не менее
Температура, оС:
– вспышки в закрытом тигле, не ниже
– застывания, не выше
Массовая доля, %, не более:
– общей серы
– меркаптановой серы
– воды
– механических примесей
Коксуемость, %, не более
Зольность, %, не более
Содержание водорастворимых кислот и щелочей
Плотность при 20 оС, кг/м, не более
Йодное число, г I/100 г топлива, не более
2,0
11,4
40
62
–10
1,5
0,025
Следы
0,02
0,2
0,01
Отсутствие
890
20
Судовое высоковязкое топливо, выпускаемое по ТУ 38.1011317-90 и
предназначенное для применения в судовых энергетических установках иностранного производства, получают компаундированием остатков прямой перегонки и деструктивных процессов с добавлением среднедистиллятных
фракций. Оно соответствует международному стандарту на судовые топлива
MS ISO/DIS-F-8217. Основные требования к показателям качества этого топлива приведены в табл. 6.4.
Таблица 6.4
Характеристики судового высоковязкого топлива (ТУ 38.1011314-90)
Наименование показателей
Марка топлива
СЛ
СВЛ
СВТ
СВС
4,0
–
–
5,0
–
–
–
8,0
–
–
16,0
о
Условная вязкость, ВУ, не более,
при температуре:
– 50 оС
– 80 оС
– 100 оС
*
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 6.4
Марка топлива
Наименование показателей
Зольность, %, не более:
– I тип
– II тип
Массовая доля, %, не более:
– механических примесей
– воды
– ванадия
– общей серы:
– I вид
– II вид
– III вид
– IV вид
Коксуемость, %, не более
Температура вспышки, оС, не ниже:
– в закрытом тигле
– в открытом тигле
Температура застывания, оС, не выше
СЛ
СВЛ
СВТ
СВС
0,02
–
0,04
0,05
0,04
0,12
0,15
–
0,05
0,2
0,001
0,10
0,5
0,01
0,30
1,0
0,02
0,60
1,0
0,04
0,5
1,0
–
–
4,0
1,0
2,0
2,5
0,5
7,0
2,0
3,5
1,0
–
15,0
5,0
–
–
–
22,0
65
–
65
–
–
90
–
100
15
5
15
25
930
965
995
1 015
о
Плотность при 20 С (не браковочная), кг/м, не выше
*
– не нормируется. Определение обязательно.
С целью расширения ассортимента и реализации судовых топлив на европейском рынке разработаны технические условия ТУ 38.401-58-302-2001
«Судовые топлива», по которым показатели качества топлив полностью соответствуют требованиям международного стандарта ISO 8217. Эти топлива
предназначены для использования на судовых дизельных и котельных энергетических установках и не должны содержать неорганических кислот, продуктов нефтехимических производств, дополнительных компонентов или
механических отходов, которые представляют опасность для эксплуатации
судов, вредны для персонала или увеличивают загрязненность окружающей
среды. Технические условия предусматривают выпуск 19 марок топлива, в
том числе 4 марок дистиллятных топлив (табл. 6.5) и 15 марок судовых остаточных топлив (табл. 6.6).
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.5
Топлива судовые дистиллятные по ТУ 38.401-58-302-2001
Марка
Наименование показателей
Внешний вид
Плотность при 15 оС, кг/м3, не более
Кинематическая вязкость при 40 оС, мм2/с:
– не менее
– не более
Температура вспышки, оС, не ниже
Температура текучести (максимальная), оС:
– зимой, не выше
– летом, не ниже
Температура помутнения, оС, не выше
Содержание общей серы, % мас.,
не более
Цетановое число, не менее
Коксуемость 10%-го остатка дистилляции (микрометод), %, не более
Коксуемость (микрометод), %, не более
Зольность, %, не более
Осадок, %, не более
Общий осадок, %, не более
Содержание воды, %, не более
Содержание, мг/кг, не более:
– ванадия
– алюминия + кремния
ИСО-ФДМХ
ИСО-ФДМА
Визуально
–
890,0
ИСО-ФДМБ
ИСО-ФДМС
–
900,0
–
920,0
1,40
5,50
43
1,50
6,00
60
–
11,0
60
–
14,0
60
–
–
–16
–6
0
–
0
6
–
0
6
–
1,0
1,5
2,0
2,0
45
40
35
–
0,30
–
0,01
–
–
–
0,30
–
0,01
–
–
–
–
0,30
0,01
0,07
–
0,3
–
2,50
0,05
–
0,10
0,3
–
–
–
–
–
–
100
25
П р и м е ч а н и е . Буква Ф обозначает класс нефтяных топлив; буква Д идентифицирует категорию топлива – дистиллятное; М указывает область применения – морское;
третья буква является номером классификации.
Дистиллятные судовые топлива имеют следующие области применения и свойства: ДМХ – для аварийного оборудования, ДМА – общего назначения (не должно содержать осадок), ДМБ – общего назначения (может содержать следы осадков), ДМС – общего назначения (может содержать осадок).
Судовые остаточные топлива имеют 6 категорий по вязкости при 100 оС:
10; 15; 25; 35; 45; 55 мм2/с. Топлива с вязкостью 10; 35; 45; 55 мм2/с имеют
по три марки, различающиеся между собой некоторыми показателями качества (плотность, температура текучести, коксуемость, зольность, содержание
ванадия). Топливо с вязкостью 25 мм2/с имеет две марки, отличающиеся по
коксуемости, зольности и содержанию ванадия. Топливо с вязкостью 15 мм2/с
имеет одну марку.
139
140
П р и м е ч а н и е . Буква Р идентифицирует категорию топлива – остаточное; буква М указывает область применения – морское; третья
буква является номером классификации; числа, используемые в классификации остаточных топлив, указывают максимальную кинематическую вязкость при 100 оС.
Судовые остаточные топлива по ТУ 38.401-58-302-2001
Таблица 6.6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Во всех топливах нормируется содержание алюминия и кремния по
той причине, что они по массе являются основной частью катализаторной
крошки, которая может попадать в топливо в процессе его получения и вызывать абразивный износ топливной аппаратуры судовых двигателей.
Рассматриваемые технические условия содержат шесть информационных приложений, в которых приведены дополнительные сведения по некоторым показателям качества и эксплуатационным свойствам судовых топлив,
таким как удельная теплота сгорания, воспламеняемость, содержание алюминия и кремния, температура вспышки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие нефтепродукты относятся к тяжелым моторным и судовым топливам, и в чем заключается принципиальное отличие последних от дизельных топлив? Какие общие требования предъявляются к тяжелым моторным и судовым топливам?
2. Назовите основные нормируемые показатели качества тяжелых моторных
и судовых топлив.
3. Что характеризует и почему определяется в тяжелых моторных и судовых
топливах показатель «температуры вспышки»?
4. Какие нефтепродукты используются в качестве базовых компонентов тяжелых моторных и судовых топлив, и какие присадки добавляют к этим топливам?
5. Назовите ассортимент и марки современных тяжелых моторных и судовых топлив.
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА
7
ГАЗОТУРБИННЫЕ ТОПЛИВА
Газотурбинные топлива предназначены для использования в стационарных газотурбинных установках (ГТУ) (компрессорные и электрические
станции), а также в транспортных ГТУ (корабельные и судовые, двигатели
железнодорожных локомотивов, военной и специальной техники и др.).
Как указано выше (см. гл. 1), в газовых турбинах кинетическая энергия
продуктов сгорания топлива переходит в механическую энергию вращения
вала турбины, оборудованного для этого специальными лопатками.
К современным газотурбинным топливам предъявляются следующие
основные требования, обеспечивающие экономичную и надежную работу
газовой турбины:
– хорошая прокачиваемость по топливной системе двигателя и распыление форсунками до мелкодисперсного состояния в камере сгорания;
– высокая теплота сгорания и полное сгорание в камере сгорания ГТУ
с минимальным образованием золы и кокса;
– низкая коррозионная агрессивность и способность не вызывать абразивный износ узлов и деталей газовой турбины;
– экологическая безопасность;
– низкая пожароопасность.
7.1. Общие требования к топливам для газовых турбин
Общие требования к современным газотурбинным топливам делятся
на четыре группы: требования, связанные с работой газовой турбины; эксплуатационные требования; требования, обусловленные необходимостью и
возможностью массового производства; экологические требования.
7.1.1. Требования, связанные с работой газовой турбины
Для нормальной и эффективной работы газовой турбины необходимо
следующее:
1. Топливо должно хорошо распыливаться и полностью сгорать на всех
режимах работы двигателя. Горение топлива в камере сгорания должно быть
устойчивым на всех режимах работы двигателя с необходимыми мощностны142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ми, экономическими и экологическими показателями. Неполное сгорание
приводит к отложению нагара на узлах и деталях турбины, увеличению содержания сажи и токсичных компонентов в выхлопных газах и расхода топлива.
По этому требованию регламентируют вязкость и теплоту сгорания газотурбинного топлива, содержание в нем смолистых и других неуглеводородных и коксообразующих компонентов.
2. Применяемое топливо должно обеспечивать создание однородной
топливовоздушной смеси необходимого состава в камере сгорания при любых температурах окружающего воздуха, что обусловливает экономичность
турбины, хорошие пусковые характеристики при любых температурах, быстрый прогрев и высокую приемистость (переход с одного режима работы на
другой), надежную работу распыливающих форсунок, минимальное образование отложений во впускной системе и камере сгорания.
Это требование регламентирует такие показатели качества газотурбинных топлив, как вязкость, плотность, содержание смол и др.
3. Температура газов перед турбиной должна быть максимально высокой, т. к. это позволяет повысить коэффициент полезного действия и мощность ГТУ.
Температура газов перед турбиной определяется теплотой и полнотой
сгорания топлива.
4. Газотурбинное топливо не должно вызывать усиленную коррозию
узлов и деталей газовой турбины, а также их ускоренный эрозийный износ.
Для обеспечения этого требования в топливе нормируются содержание
металлоорганических соединений (ванадия и свинца), натрия, калия и кальция, а также общей серы, сероводорода, воды и механических примесей.
7.1.2. Эксплуатационные требования
До того как произведенное на нефтеперерабатывающих предприятиях
газотурбинное топливо попадет в топливный резервуар стационарной ГТУ
или бак транспортного средства, в котором газовая турбина используется в
качестве двигателя, оно проходит длительный путь транспортирования железнодорожным, водным и автомобильным транспортом и хранения в резервуарах завода-изготовителя, нефтебаз различного назначения и топливных
складов предприятий, использующих газотурбинные установки. Транспортирование, хранение и применение газотурбинного топлива происходит в
различных климатических условиях при температурах окружающего воздуха
от –60 до +40–45 оС. В связи с этим состав газотурбинного топлива, как и
других, должен исключать возникновение трудностей при выполнении всех
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перечисленных операций в любых климатических условиях и при этом сохранять свои основные эксплуатационные показатели качества с возможно
меньшими потерями.
Эти требования эксплуатации регламентируют такие свойства газотурбинных топлив, как химическая стабильность при хранении, прокачиваемость,
зависящая от температуры застывания, вязкость, содержание механических
примесей, воды, коррозионно-агрессивных соединений и др.
7.1.3. Требования производства
Газотурбинное топливо производят из дистиллятов вторичных процессов и прямой перегонки нефтей, но возможно получение его из аналогичных
дистиллятов первичных и вторичных процессов переработки газовых
конденсатов, в которых содержатся соляровые и мазутные фракции, выкипающие при температурах выше 320–350 оС. В большинстве случаев эти дистилляты могут одновременно являться компонентами сырья вторичных процессов глубокой переработки нефти (каталитического крекинга, гидрокрекинга, коксования и др.), поэтому его ресурсы при выработке на нефтеперерабатывающем заводе газотурбинного топлива уменьшаются и наоборот.
При наличии на нефтеперерабатывающем заводе процессов глубокой
переработки тяжелого дистиллятного сырья производимое газотурбинное
топливо по получаемой прибыли должно компенсировать убытки, понесенные заводом от снижения ресурсов сырья для производства других моторных топлив, имеющих более высокую рыночную цену, чем сравнительно
дешевое, но и менее затратное газотурбинное топливо. При отсутствии таковых процессов производимое газотурбинное топливо позволяет повысить
рентабельность производства из-за дополнительного выпуска моторного топлива взамен котельного.
7.1.4. Экологические требования
Газотурбинное топливо является загрязнителем окружающей среды,
что связано с токсичностью составляющих его углеводородов и неуглеводородных примесей и многих продуктов его сгорания.
Токсичность обусловливается химическим составом топлива. Она тем
выше, чем больше в нем содержится непредельных и ароматических углеводородов и сероорганических соединений.
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В связи с этим в газотурбинных топливах нормируются содержание
общей серы, сероводорода и йодное число.
7.2. Основные нормируемые показатели качества
газотурбинных топлив
К основным нормируемым показателям качества газотурбинных топлив относятся:
– условная вязкость при 50 оС;
– низшая теплота сгорания;
– зольность;
– содержание в массовых долях ванадия, суммы натрия и калия, кальция, серы, механических примесей, воды, сероводорода, водорастворимых
кислот и щелочей;
– коксуемость;
– температура вспышки в закрытом тигле;
– температура застывания;
– йодное число;
– плотность при 20 оС;
– массовая доля свинца.
Условная вязкость при 50 оС. Газотурбинное топливо по сравнению с
реактивными и дизельными является тяжелым, поэтому вместо кинематической вязкости в нем нормируется верхний предел условной вязкости при
достаточно высокой температуре (50 оС). Условная вязкость характеризует
прокачиваемость газотурбинного топлива по топливной системе ГТУ, его
противоизносные свойства (смазка топливных насосов) и склонность к мелкодисперсному распылению в камере сгорания. Чем ниже условная вязкость,
тем лучше прокачивается и распыляется топливо, но при этом ухудшается
его смазывающая способность. От вязкости в значительной мере зависит
скорость осаждения механических примесей при хранении, а также способность топлива отстаиваться от воды.
Условная вязкость определяется по ГОСТ 6258.
Низшая теплота сгорания. Теплота сгорания газотурбинного топлива определяет его энергетические характеристики. Чем выше теплота сгорания топлива, тем меньше его расход при одной и той же мощности турбины.
Удельной теплотой сгорания называется количество теплоты,
выделяемой при полном сгорании единицы массы или объема газотурбинного топлива.
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В газотурбинных топливах регламентируется нижний предел низшей
теплоты сгорания. Низшая (рабочая) теплота сгорания – это количество тепла, выделяемого при полном сгорании топлива и охлаждении продуктов
сгорания до температуры топлива, но без конденсации водяного пара, т. к.
в реальных условиях сгорания топлива в газовой турбине при высокой температуре водяной пар не конденсируется.
В газотурбинных топливах влияние химического и фракционного
составов на теплотворную способность аналогично другим видам топлива
(см., например, гл. 2). Теплотворная способность рассчитывается по уравнениям (2.3) или (2.4) или определяется по ГОСТ 21261.
Следует также отметить, что теплота сгорания всех нефтяных и газоконденсатных высокосернистых топлив всегда ниже, чем сернистых и малосернистых топлив (см., например, формулу (2.3)).
Зольность. Зольность характеризует полноту сгорания газотурбинного
топлива без образования несгораемой золы из содержащихся в топливе солей высокомолекулярных органических кислот и несгораемых механических
примесей. Зола увеличивает эрозийный износ стенок камер сгорания, а также приводит к отложениям, снижению коэффициентов теплоотдачи и полезного действия, повышенному нагарообразованию в двигателе и повышенной
температуре отходящих газов. В связи с этим для газотурбинных топлив установлен верхний предел зольности.
Зольность определяют по ГОСТ 1461.
Содержание ванадия, суммы натрия и калия, кальция и серы. В топливе строго ограничивается содержание ванадия и серы. Наличие ванадия приводит к высокотемпературной ванадиевой коррозии лопаток газовой турбины,
при этом коррозионно-активной является пентаоксид V2O5. Эта окись, находясь
в полужидком состоянии при температурах выше 650 оС, катализирует процесс
окисления металла кислородом и одновременно растворяет продукты окисления, способствуя взаимодействию кислорода с металлом лопаток. С повышением содержания ванадия в топливе скорость коррозии возрастает, и чем выше
температура, тем быстрее при более низком его содержании происходит коррозионное разрушение лопаток турбины. Пентаоксид ванадия также способствует
окислению диоксида серы в триоксид и образованию слабой серной кислоты в
«холодной» выхлопной части ГТУ.
Сера, помимо образования при сгорании оксидов, загрязняющих атмосферу, усиливает ванадиевую коррозию железных сплавов. Содержание
серы определяется по ГОСТ 1437.
Содержание ванадия в различных продуктах нефтепереработки приведено в табл. 7.1.
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 7.1
Содержание ванадия в нефтепродуктах
Нефтепродукт
Прямогонное дизельное топливо
Легкий газойль каталитического крекинга
Легкий газойль коксования
Содержание, 10–4 % мас.
0,5
Менее 0,1
Менее 0,1
Содержание ванадия в продуктах вторичных процессов переработки
нефти (каталитического крекинга или замедленного коксования) ниже из-за
отложения его на катализаторе крекинга или его концентрирования в коксе.
Определяют содержание ванадия по ГОСТ 10364, а при его содержании менее 0,003 % – атомно-адсорбционным методом.
Присутствие в топливе натрия, калия и кальция (определяется по
ГОСТ 25784), которые могут попасть в него вместе с водой, особенно при
транспортировании водным транспортом, вызывает усиленную ванадиевую
коррозию даже при незначительном содержании ванадия. Например, сульфат натрия Na2SO4, попадая в камере сгорания в зоны высоких температур,
диссоциирует, и сульфат-ион, в свою очередь, тоже диссоциирует, при этом
выделяются триоксид серы SO3 и ион кислорода. Ион кислорода взаимодействует с оксидной пленкой, разрушая ее, а сульфат-ион при этом непосредственно взаимодействует с металлом лопатки, образуя сульфид и оксид
металла и ион кислорода.
Вода также снижает теплоту сгорания топлива и повышает его коррозионную агрессивность.
Содержание воды определяют по ГОСТ 2477.
Содержание сероводорода и водорастворимых кислот и щелочей.
Сероводород и водорастворимые кислоты и щелочи являются высокоактивными коррозионными агентами, приводящими к быстрому разрушению как
оборудования, применяемого при хранении и транспортировке газотурбинного топлива, так и к выходу из строя из-за коррозии топливных баков и систем ГТУ и самой газовой турбины. Кроме того, сероводород обладает высокой токсичностью, а при сгорании так же, как и другие сернистые соединения,
образует оксиды серы – загрязнители атмосферы.
Содержание водорастворимых кислот и щелочей определяют по
ГОСТ 6307, а сероводорода – по ГОСТ 17323.
Содержание механических примесей. Механические примеси чаще
всего представляют собой не извлеченные при переработке примеси, вынесенные из скважин при добыче углеводородного сырья, продукты коррозии
оборудования и трубопроводов нефтеперерабатывающего предприятия, сис147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тем хранения и транспортировки топлива и другого и приводят к забивке
фильтров, топливных трубопроводов, абразивному износу топливной аппаратуры, стенок камеры сгорания и лопаток газовой турбины и другим нежелательным последствиям.
В газотурбинных топливах нормируется верхний предел содержания
механических примесей, определяемый по ГОСТ 6370.
Коксуемость. Коксуемость характеризует коксогенные свойства газотурбинного топлива при его нагревании без доступа воздуха при высоких
температурах (500–520 оС). По коксуемости судят о потенциальной возможности топлива образовывать коксовые отложения в зонах высоких температур, имеющихся в газовой турбине (стенки камеры сгорания, форсунки,
лопатки турбины, система вывода отработанных газов и др.). Коксовые отложения приводят к местным перегревам узлов и деталей турбины и, как
следствие, к прогарам и дисбалансу ее работы.
Коксуемость определяется по ГОСТ 19932.
Температура вспышки в закрытом тигле. Этот показатель характеризует пожароопасность газотурбинного топлива при его хранении и
применении, особенно в закрытых трюмах и машинных отделениях водного транспорта и боевых кораблей. Чем ниже эта температура, тем большую пожароопасность имеет топливо.
Температура вспышки в закрытом тигле для газотурбинных топлив
определяется по ГОСТ 6356.
Температура застывания. Температура застывания – это та температура, при которой топливо в пробирке, наклоненной в горизонтальное положение, не смещает свою поверхность в течение 5 секунд.
Определяют температуру застывания по ГОСТ 20287. Сущность метода заключается в постепенном охлаждении в охладительной бане предварительно нагретой до 3–45 оС пробирки с испытуемым профильтрованным
нефтепродуктом. За 9–12 оС до предполагаемой температуры застывания
пробирку вынимают из бани и наклоняют. Если уровень поверхности топлива в пробирке будет смещаться, то пробирку охлаждают дальше, повторяя
эти операции до тех пор, пока не будет наблюдаться отсутствие смещения
уровня поверхности топлива в течение 5 секунд.
Показатель температуры застывания весьма важен для газотурбинных
топлив, которые применяются в установках, не оборудованных системой подогрева топлива, например на судах морского и речного флота. Для газотурбинных топлив нормируется верхний предел их температуры застывания.
Температура застывания топлива зависит от его фракционного и химического состава. Чем тяжелее топливо по фракционному составу, тем выше
его температура застывания. С увеличением молекулярной массы углеводо148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
родов повышается и их температура застывания. Самую высокую температуру застывания имеют нормальные парафиновые углеводороды, которые в
большом количестве присутствуют в прямогонных фракциях, полученных из
нефтей парафинового основания. Последним объясняется высокая температура застывания газотурбинных топлив, полученных только на основе продуктов первичной перегонки нефти. Ароматические и нафтеновые углеводороды
застывают при низких температурах (кроме бензола и п-ксилола), однако эти
же углеводороды, но с длинной неразветвленной боковой цепью, застывают
при более высоких температурах. По мере разветвления цепи парафинового углеводорода или боковой парафиновой цепи, присоединенной к ароматическим
или нафтеновым кольцам, температура застывания углеводородов снижается.
Йодное число. Этот показатель характеризует наличие в газотурбинных топливах непредельных (олефиновых) углеводородов и в определенной
степени указывает на химическую стабильность этих топлив при хранении,
транспортировке и применении. С увеличением йодного числа и содержания
олефиновых углеводородов повышается вероятность образования в топливе
смолистых и полимерных соединений (особенно при контакте с воздухом
при хранении и транспортировке), которые увеличивают нагарообразующую
способность топлива.
Йодное число определяется по ГОСТ 2070.
Плотность. Плотность является достаточно важным физическим
свойством газотурбинного топлива, характеризующим его энергетические
свойства, и определяется по ГОСТ 3900.
Стандартом на газотурбинные топлива регламентируется максимально
допустимое значение плотности при температуре 20 оС только для его более
тяжелой марки Б. Верхний предел в данном случае ограничен повышением
коксуемости, зольности, вязкости, температуры застывания и содержанием
тяжелых металлов (ванадия). Однако следует отметить, что чем выше плотность топлива, тем его большее массовое количество войдет в топливные баки, имеющие на транспорте ограниченный объем, и тем больше будут скорость и запас хода транспортного или боевого средства. Топливо с большей
плотностью имеет и большую объемную теплоту сгорания.
Плотность зависит от фракционного и химического состава топлива.
При увеличении содержания тяжелых фракций, ароматических углеводородов и уменьшении содержания парафиновых углеводородов плотность топлива повышается. Однако при повышении содержания тяжелых фракций и
ароматических углеводородов могут не соблюдаться другие нормируемые
показатели качества (например, теплота сгорания, зольность и др.).
Массовая доля свинца. Органические соединения свинца могут присутствовать в нефтях в количестве от 10–3 до 10–7 % и концентрируются в
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дистиллятных фракциях, выкипающих в пределах от 350 до 500 оС и являющихся, помимо прочего, компонентом газотурбинных топлив. Соединения
свинца, как показано выше (см. гл. 2), высокотоксичны и образуют отложения
в камере сгорания, форсунках и других узлах турбины.
С другой стороны, газотурбинные топлива чаще всего являются многокомпонентным продуктом, получаемым на нефтеперерабатывающих заводах смешением различных фракций и полуфабрикатов первичных и вторичных технологических процессов, в том числе и некондиционных, для производства других, более высокотехнологичных моторных топлив. В связи с
этим в их состав могут входить для регулирования вязкости, коксуемости и
зольности даже тяжелые бензиновые фракции и, как следствие, свинцовые
антидетонаторы. Во избежание попадания в газотурбинное топливо марки А
большого количества свинцовых соединений и резкого повышения токсичности в нем предусмотрен верхний предел содержания свинца.
Массовая доля свинца определяется по ГОСТ 7978.
7.3. Компонентный состав
Газотурбинные топлива вырабатываются как однокомпонентные или многокомпонентные топлива, в которые вовлекаются дистилляты прямой перегонки
нефти и продукты вторичных процессов (базовые компоненты). В зависимости
от типа ГТУ состав топлива может быть различным – от керосина до мазута.
7.3.1. Базовые компоненты
Как уже отмечено, в качестве базовых компонентов газотурбинных топлив
могут использоваться средне- и высококипящие дистилляты прямой перегонки
нефти и продукты вторичных технологических процессов, а также нефтяные остатки типа мазута. Наиболее часто применяют легкие газойли коксования и каталитического крекинга и прямогонные среднекипящие фракции нефти.
Прямогонные базовые компоненты газотурбинных топлив с удовлетворительными для этого вида топлива показателями качества могут быть
получены из разных нефтей. Пределы выкипания данных компонентов лежат в диапазоне температур от 120–150 до 450–500 оС (от керосина до тяжелых вакуумных масляных дистиллятов).
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Прямогонные базовые компоненты газотурбинных топлив могут быть
получены и использованы непосредственно в местах добычи нефтей и газовых конденсатов после перегонки последних на малогабаритных установках.
Однако если в качестве компонентов топлива используются тяжелые
фракции углеводородного сырья или мазут, особенно полученные из нефтей
парафинового основания, то возможно превышение температуры застывания
такого топлива, его коксуемости и зольности и содержания в нем ванадия и
свинца по сравнению с регламентными требованиями. В таком случае дополнительно к этим компонентам добавляют низкокипящие прямогонные и
(или) вторичные фракции или депрессорные присадки.
Легкий газойль коксования получают при ректификации продуктов замедленного коксования. Он имеет температуры выкипания от 180–200 до
320–350 оС и содержит большое количество олефиновых углеводородов
(до 30–35 %). Этот базовый компонент газотурбинных топлив имеет высокое
йодное число и склонность образовывать при хранении и транспортировке
смолистые соединения, приводящие к повышению зольности и коксуемости,
но практически не содержит тяжелых металлоорганических соединений.
Легкий газойль каталитического крекинга получают при ректификации катализата. Он имеет примерно такие же пределы выкипания, как и
легкий газойль коксования, и отличается большим содержанием как ароматических, так и олефиновых углеводородов. Этот базовый компонент газотурбинных топлив также имеет высокое йодное число и склонность образовывать при хранении и транспортировке смолистые соединения, приводящие
к повышению зольности и коксуемости, сравнительно низкую теплоту сгорания из-за дефицита атомов водорода в молекулах ароматических и олефиновых углеводородов, но при этом обладает повышенной плотностью и
не содержит тяжелых металлоорганических соединений.
7.3.2. Присадки
В газотурбинных топливах могут применяться депрессорные присадки
для снижения их температуры застывания. В основном, как уже было сказано
выше, эти присадки представляют собой продукт синтеза на основе сополимеров этилена с винилацетатом. Механизм действия этих присадок заключается в модификации структуры кристаллизующихся парафинов и уменьшении их размеров.
Концентрация присадки в топливе зависит от типа перерабатываемой
нефти, состава и технологии получения топлива и составляет в среднем
0,02–0,05 % мас.
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.4. Ассортимент и марки газотурбинных топлив
Требования к показателям качества газотурбинных топлив, выпускаемых по ГОСТ 10433, приведены в табл. 7.2.
Таблица 7.2
Характеристики топлив для газотурбинных установок (ГОСТ 10433)
Марки топлива
Наименование показателей
Условная вязкость при 50 оС, оВУ, не более
Теплота сгорания низшая, кДж/кг, не менее
Зольность, %, не более
Массовая доля, %, не более:
– ванадия
– суммы натрия и калия
– кальция
– серы
– механических примесей
– воды
Коксуемость, %, не более
Температура, оС:
– вспышки в закрытом тигле, не ниже
– застывания, не выше
Йодное число, г I/100 г топлива, не более
Плотность при 20 оС, кг/м, не выше
Массовая доля свинца, %, не более
А
Б
1,6
39 800
0,01
3,0
39 800
0,01
0,00005
0,0002
0,0004
1,8
0,02
0,1
0,2
0,0004
–
–
2,5
0,03
0,5
0,5
65
5
–
–
Отсутствие
или 0,0001
62
5
45
935
–
П р и м е ч а н и е . Для топлив марок А и Б содержание сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей – отсутствие.
По ГОСТ 10433 вырабатывают две марки газотурбинного топлива:
– топливо марки А – для пиковых энергетических установок, в которых
наблюдается резкое (пикообразное) повышение нагрузок (например, на газотурбинных электростанциях при пиковых нагрузках в электрических сетях);
– топливо марки Б – для судовых и других газотурбинных установок,
в которых нагрузки изменяются достаточно плавно.
В связи с этим к топливу марки А предъявляются более жесткие требования по содержанию ванадия и свинца.
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие общие требования предъявляются к газотурбинным топливам?
2. Какие требования, связанные с работой газовой турбины, предъявляются
к газотурбинным топливам?
3. Назовите основные нормируемые показатели качества, общие для всех
марок газотурбинного топлива.
4. Назовите причины, по которым в газотурбинном топливе нормируется
содержание ванадия, суммы натрия и калия, кальция и серы.
5. Какие нефтепродукты используются в качестве базовых компонентов газотурбинного топлива, и какие присадки добавляют к этим топливам?
6. Назовите ассортимент и марки современных газотурбинных топлив.
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ГЛАВА
8
УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ГАЗЫ КАК МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА
В последние годы осуществляются крупномасштабные мероприятия
по дальнейшему улучшению структуры топливно-энергетического баланса
страны за счет снижения в нем доли нефти как топлива и замены ее газом.
Прогнозные сценарии развития мировой энергетики предусматривают
в ближайшие 50 лет сокращение зависимости от нефти на транспорте до
40 % и менее, которое будет достигнуто, в частности, широким внедрением
технологий, повышающих эффективность использования газового топлива в
традиционных транспортных средствах. К этим технологиям относятся как
внедрение топливных элементов, работающих на углеводородном газе, так и
непосредственное использование газа в качестве моторного топлива во всех
типах двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время уже широко используются газобаллонные автомобили, работающие на сжиженном или сжатом газе, газодизельные установки
на водном транспорте, газотурбинные установки и электростанции. Имеются
сведения об испытательных полетах авиационной техники, на которой в воздушно-реактивных двигателях вместо реактивного топлива применяется
сжиженный углеводородный газ.
Помимо сокращения использования дорогостоящих и становящихся
все более дефицитными нефтяных моторных топлив, газовые топлива позволяют снизить количество токсичных составляющих в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. Однако следует отметить, что запас хода,
дальность полета или плавания при использовании газовых моторных топлив уменьшаются по сравнению с обычными нефтяными топливами, тогда
как взрыво- и пожароопасность возрастают.
В качестве газовых моторных топлив применяются:
– компримированный природный газ высокого давления;
– компримированный природный газ низкого и среднего давления;
– сжиженный нефтяной газ;
– сжиженный природный газ.
Оценка удельных приведенных затрат на производство и применение
на грузовых автомобилях различных видов топлив в перспективе выглядит
следующим образом (в %): нефтяной бензин – 100; пропанобутановая смесь
(сжиженный нефтяной газ) – 77; компримированный природный газ – 80;
сжиженный природный газ – 81.
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К углеводородным газам как моторным топливам предъявляются следующие основные требования:
– должны обладать высокими энергетическими свойствами (октановым или цетановым числом, массовой удельной теплотой сгорания, стехиометрическим соотношением газа и воздуха, объемной теплотой сгорания
стехиометрической топливовоздушной смеси в двигателе);
– должны быть экологически чистыми;
– не должны содержать механических примесей и воды;
– должны содержать в минимальном количестве химически нестабильные олефиновые углеводороды.
8.1. Общие требования к газовым моторным топливам
Так же, как и для жидких нефтяных моторных топлив, общие требования к современным газовым моторным топливам делятся на четыре группы:
требования, связанные с работой двигателя; требования эксплуатации; требования, обусловленные необходимостью и возможностью массового производства; экологические требования.
8.1.1. Требования, связанные с работой двигателя
Газовые моторные топлива чаще всего применяются вместо автомобильных бензинов в поршневых двигателях с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси электрической искрой. Автомобили, двигатели которых потребляют в качестве топлива природный компримированный
(КПГ) и сжиженный (СПГ) газ, а также сжиженный нефтяной газ (СНГ),
называют газобаллонными.
При использовании в качестве топлива сжиженного углеводородного газа (СПГ или СНГ) он подается из топливных газовых баллонов в двухступенчатый редуктор для снижения его давления и, как следствие, испарения, далее
поступает в карбюратор или форсунки (в инжекторных двигателях). Если в качестве топлива применяется сжатый (компримированный) газ (КПГ), то он перед двухступенчатым редуктором проходит одноступенчатый редуктор для
снижения давления с 20 МПа (давление в газовых баллонах) до 1,2 МПа.
Во избежание образования гидратов при снижении давления газа редукторы
подогреваются выхлопными газами двигателя или горячей жидкостью из системы охлаждения двигателя. Как правило на двигателях, использующих газовое топливо, сохраняется и обычная бензиновая топливная система.
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Применение на газобаллонных автомобилях двухтопливной системы питания (газ – бензин) предопределяет конструкцию двигателя с принудительным
воспламенением топливовоздушной смеси со степенью сжатия, рассчитанной
на использование бензина. Степень сжатия значительно меньше оптимальной
для газа, вследствие чего мощностные и динамические характеристики автомобиля при работе на газе несколько ниже, чем при работе на бензине.
Способность газа выдерживать высокие степени сжатия лучше используется в газодизельных двигателях, но в них газ воспламеняется лишь за счет
самовоспламенения обычного дизельного топлива, подаваемого через
форсунки в камеры сгорания и играющего роль запального топлива.
Несмотря на это, перевод автотранспорта на газ оправдан, т. к обеспечивает значительный экономический эффект, который может быть существенно увеличен путем совершенствования конструкции автомобилей, газотопливной аппаратуры и двигателей.
При переоборудовании грузовых автомобилей на использование газа
газовые баллоны размещают на раме под кузовом, подвешивают на месте
топливных баков или монтируют специальные контейнеры (кассеты) за кабиной водителя. На легковых автомобилях баллоны чаще всего размещают
внутри багажника, на автобусах крепят к раме под полом пассажирского салона или устанавливают на крыше.
Для нормальной и эффективной работы ДВС с принудительным воспламенением, в котором в качестве топлива применяется углеводородный
газ, а также газодизельных двигателей необходимо, чтобы, как и для бензинов и дизельных топлив, распространение фронта пламени в камере сгорания происходило с оптимальной скоростью на всех режимах работы с необходимыми мощностными, экономическими и экологическими показателями.
Это требование регламентирует теплоту сгорания топливного газа, его
компонентный состав, содержание неуглеводородных компонентов, способность выдерживать высокие степени сжатия и стойкость к неуправляемому
калильному зажиганию (воспламенение топливовоздушной смеси от мест
перегревов в камере сгорания, которые образуются в местах нагара) и др.
Применяемый газ должен обеспечивать создание однородной топливовоздушной смеси необходимого состава при любых температурах окружающего
воздуха, что обусловливает экономичность ДВС, хорошие пусковые характеристики при любых температурах, быстрый прогрев и высокую приемистость
(переход с одного режима работы на другой), надежную работу карбюратора
или форсунок, минимальное образование отложений во впускной системе.
Это требование регламентирует такие показатели качества бензинов,
как испаряемость (компонентный состав, давление насыщенных паров и
доля остающегося жидкого остатка), теплота испарения (при применении
сжиженных газов), плотность и др.
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.1.2. Эксплуатационные требования
Произведенный на нефте- и газоперерабатывающих предприятиях углеводородный газ, прежде чем попасть в баллоны автомобиля или другого
транспортного средства, проходит длительный путь транспортирования трубопроводным (в сжиженном или газообразном состоянии), железнодорожным, водным и автомобильным транспортом (в сжиженном состоянии)
и хранения в газохранилищах завода-изготовителя и автомобильных газонаполнительных компрессорных станций.
Транспортирование, хранение и применение моторного газового топлива непосредственно на автомобилях происходит при температурах окружающего воздуха от –60 до +40–45 оС. В связи с этим его состав должен
исключать возникновение трудностей при выполнении всех перечисленных
операций в любых климатических условиях и при этом сохранять свои основные эксплуатационные показатели качества с возможно меньшими потерями.
Требования эксплуатации регламентируют такие свойства моторных
газов, как химическая стабильность при хранении, содержание механических примесей и воды, склонность к потерям от испарения и способность
образовывать газовые пробки в трубопроводах, содержание коррозионноагрессивных соединений и др.
8.1.3. Требования производства
Производство газового моторного топлива должно быть рентабельным
для всей технологической цепочки от добычи газа, его очистки от вредных
примесей, выделения целевых фракций, их сжижения или компримирования
до транспортировки или отгрузки потребителям. Из природного или нефтяного газа, помимо моторных топлив, также могут быть получены газы для
коммунально-бытового потребления, нужд энергетики или сырье для нефтехимии, поэтому производители газомоторных топлив заинтересованы в том,
чтобы эта продукция была хотя бы на одном уровне рентабельности или
превосходила рентабельность других видов продукции, получаемой из одного и того же сырья. Рентабельность производства газомоторного топлива
должна обеспечиваться рыночным спросом на него и его достойной ценой,
учитывающей как себестоимость продукции, так и прибыль нефтегазоперерабатывающего предприятия.
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.1.4. Экологические требования
Газомоторное топливо экологически более безопасно, чем другие моторные топлива. Это связано с отсутствием в его составе тяжелых, в том числе ароматических, углеводородов, азот- и кислородсодержащих компонентов, смол
и других вредных веществ. Содержание сернистых соединений (сероводорода
и меркаптанов) и олефиновых углеводородов строго нормируется и обеспечивается современными технологическими процессами переработки газа.
Следует также отметить, что применение газового топлива в двигателях внутреннего сгорания значительно снижает шумность их работы.
8.2. Основные нормируемые показатели качества
газовых топлив
К основным нормируемым показателям качества газомоторных топлив
относятся:
– компонентный состав, включая содержание олефиновых (непредельных) углеводородов;
– объемная доля жидкого остатка при 20 оС;
– точка росы углеводородов;
– удельная теплота сгорания;
– давление насыщенных паров при разных температурах;
– массовая доля сероводорода и меркаптановой серы;
– содержание свободной воды и щелочи;
– интенсивность запаха.
Компонентный состав. Показатель характеризует чистоту топлива по
содержанию целевых компонентов, в том числе олефиновых углеводородов,
являющихся весьма реакционно-способными. Компонентный состав определяется по ГОСТ 5439 или ГОСТ 23781.
Объемная доля жидкого остатка при 20 оС. По этому показателю
определяются наличие в газе тяжелых углеводородов (в основном С5+) и полнота перехода газа в испаренное состояние при снижении давления в баллонах при комнатной температуре.
Точка росы углеводородов.
Точка росы углеводородов – эта та температура, при которой из
газа при данном давлении начинают конденсироваться наиболее тяжелые углеводороды.
Показатель характеризует наличие в моторном сжатом газе тяжелых
углеводородов С5+ и их возможность конденсации в топливной системе двигателя при низких температурах.
Точка росы углеводородов определяется по ГОСТ 20061.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Удельная теплота сгорания.
Удельная теплота сгорания – это та теплота, которая выделяется
при сгорании единицы объема или массы газа.
Чем выше удельная теплота сгорания газа, тем более высокую мощность может развить двигатель и тем больше запас хода (дальность полета
или плавания) транспортного средства.
Удельная теплота сгорания определяется по ГОСТ 10062 или
ГОСТ 22667.
Давление насыщенных паров. Определяется по ГОСТ 1756 для сжиженных газов и характеризует их испаряемость при разных, в том числе отрицательных, температурах окружающего воздуха, а также способность этих
газов образовывать паровые (газовые) пробки в топливных системах.
Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы (тиолов). Показатель характеризует содержание сероводорода и меркаптанов в моторных
газах и определяет их экологическую, токсикологическую и коррозионную
безопасность.
Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы определяется по
ГОСТ 22387.2.
Содержание свободной воды и щелочи. Свободная вода и щелочь могут попасть в сжиженные моторные газы при удалении из них сероводорода
и меркаптанов в процессе защелачивания и последующей водной промывки.
Их наличие вызывает коррозию узлов и деталей двигателя, а свободная вода
может замерзнуть в топливной системе двигателя в зимних условиях.
Содержание свободной воды и щелочи определяется соответственно
по ГОСТ 2477 и ГОСТ 6307.
Интенсивность запаха. Углеводородный газ, применяемый в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, должен иметь запах для
возможности определения его утечки при хранении и применении.
Интенсивность запаха газа определяется по ГОСТ 22387.5.
8.3. Компонентный состав газовых топлив
Сжиженные нефтяные газомоторные топлива (СНГ) производят на
газофракционирующих установках нефтегазоперерабатывающих предприятий из широкой фракции легких углеводородов (С2+ или С3+), выделенной
при стабилизации нефти, газового конденсата и продуктов вторичных процессов переработки углеводородного сырья. В состав СНГ входят в основном пропановая и пропанобутановая фракции.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Компримированный природный газ (КПГ) производят из очищенного
и осушенного на газоперерабатывающих заводах природного газа, содержащего в качестве основного компонента метан и пригодного для транспортирования по магистральным газопроводам.
Сжиженный природный газ (СПГ) производят путем криогенного сжижения очищенного и осушенного природного газа, состоящего в основном
из метана, на специальных заводах и установках.
8.4. Ассортимент и марки современных газомоторных топлив
Компримированный и сжиженный природные моторные газы должны
отвечать требованиям, предъявляемым к газам, транспортируемым по магистральным газопроводам. Требования к товарным топливным газам, транспортируемым по магистральным газопроводам, приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Требования к природному газу, транспортируемому по газопроводам
Климатический район
Показатель
Точка росы, оС, не выше:
– по влаге
– по углеводородам
Содержание кислорода,
% об., не более
Содержание, г/м3, не более:
– сероводорода
– серы тиоловой
– механических примесей
умеренный
холодный
л
з
л
з
0
0
–5
0
–10
–5
–20
–10
1,0
1,0
1,0
1,0
0,02
0,036
0,003
0,02
0,036
0,003
0,02
0,036
0,003
0,02
0,036
0,003
П р и м е ч а н и е : л – летний период (с 1 мая по 30 сентября); з – зимний период
(с 1 октября по 30 апреля)
Сжиженные нефтяные газы для применения в двигателях внутреннего
сгорания выпускаются двух марок: ПА (пропан автомобильный) и ПБА
(пропан-бутан автомобильный). Требования к моторным топливам этих марок приведены в табл. 8.2.
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 8.2
Газы углеводородные сжиженные топливные (по ГОСТ Р 52087)
Показатели
Массовая доля компонентов, % :
– сумма метана, этана и этилена
– сумма пропана и пропилена, не менее:
в том числе пропана
– сумма бутанов и бутиленов:
– не более
– не менее
сумма непредельных углеводородов, не более
Объемная доля жидкого остатка при 20 оС, %, не более
Давление насыщенных паров, избыточное, МПа,
при температуре:
– +45 оС, не более
– –20 оС, не менее
– –30 оС, не менее
Массовая доля сероводорода и меркаптановой
серы, %, не более:
в том числе сероводорода, не более
Содержание свободной воды и щелочи
Интенсивность запаха, баллы, не менее
Марка газового топлива
ПА
ПБА
Не нормируется
85 ± 10
Не нормируется
50 ± 10
Не нормируется
–
Не нормируется
–
6
0,7
6
1,6
1,6
–
0,07
0,01
1,6
0,07
–
0,01
0,003
0,003
Отсутствие
3
Топлива ПА и ПБА обладают такими достоинствами, как высокие октановые числа (102–112), меньший, чем у бензинов, выброс вредных веществ с
выхлопными газами, более высокий моторесурс и меньшая шумность двигателя, сравнительно небольшая стоимостью производства и др. В обычных условиях эти топлива находятся в газообразном состоянии, и для их заправки в
транспортные средства требуется компримирование до давления 1,6 МПа и
выше с таким расчетом, чтобы они находились в баке в жидком состоянии
практически при любой температуре окружающего воздуха.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие виды газов применяются в качестве газовых моторных топлив?
2. Какие общие требования предъявляются к углеводородным газам как моторным топливам?
3. Назовите основные нормируемые показатели качества, общие для всех марок газомоторного топлива.
4. Назовите преимущества и недостатки использования углеводородных газов
в качестве моторных топлив.
5. Назовите ассортимент и марки современных газомоторных топлив.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основными продуктами, получаемыми из природного углеводородного сырья, являются моторные топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Моторные топлива будут сохранять свое значение в мировой экономике и в
ближайшей перспективе на 25–50 лет, т. к. не произойдет кардинальной смены
основных типов двигателей внутреннего сгорания. Так, например, к 2030 году
бензиновые и дизельные двигатели будут составлять 84 % от общего объема
двигателей.
По мере развития моторостроения, увеличения объема выпуска и совершенствования двигателей внутреннего сгорания ужесточаются и требования к эксплуатационным и экологическим показателям качества моторных
топлив, применяемых в этих двигателях.
Изучение студентами-технологами изложенного в учебном пособии
материала позволит поднять уровень их подготовки в области химмотологии
и производства моторных топлив и современных требований, предъявляемых к ним, а также в области конструкций и принципов работы различных
двигателей внутреннего сгорания.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Боксерман, Ю.И. Перевод транспорта на газовое топливо /
Ю.И. Боксерман, Я.С. Мкртычан, К.Ю. Чириков. – М.: Недра, 1988. – 220 с.
2. Гуреев, А.А. Автомобильные бензины. Свойства и применение: учеб.
пособие для вузов / А.А. Гуреев, В.С. Азев. – М.: Нефть и газ, 1996. – 444 с.
3. Данилов, А.М. Применение присадок в топливах. – М.: Мир, 2005. – 288 с.
4. Зрелов, В.Н. Жидкие ракетные топлива / В.Н. Зрелов, Е.П. Серегин. –
М.: Химия, 1975. – 320 с.
5. Мановян, А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа: учеб. пособие для вузов. – М.: Химия, 1999. – 568 с.
6. Мановян, А.К. Технология переработки природных энергоносителей. –
М.: Химия, КолосС, 2004. – 456 с.
7. Митусова, Т.Н. Современные дизельные топлива и присадки к ним /
Т.Н. Митусова, Е.В. Полина, М.В. Калинина. – М.: Изд-во «Техника»;
ООО «ТУМА ГРУПП», 2002. – 64 с.
8. Нефть и нефтепродукты / Автор-сост. Ю.В. Поконова. – СПб.:
АНО НПО «Мир и Семья», 2003. – 904 с.
9. О некоторых проблемах российского нефтегазового комплекса /
М.И. Левинбук, Е.А. Козюков, А.А. Лебедев и др. // Катализ в промышленности. – 2005. – № 6. – С. 3–18.
10. Онойченко, С.Н. Применение оксигенатов при производстве перспективных автомобильных бензинов. – М.: Изд-во «Техника»;
ООО «ТУМА ГРУПП», 2003. – 64 с.
11. Политехнический словарь / Редкол.: А.Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. –
Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Советская энциклопедия, 1989. – 656 с.
12. Российская газовая энциклопедия / Гл. ред. Р.И. Вяхирев. – М.:
Большая Российская энциклопедия, 2004. – 527 с.
13. Рудин, М.Г. Карманный справочник нефтепереработчика / М.Г. Рудин, В.Е. Сомов, А.С. Фомин; под ред. М.Г. Рудина. – М.: ЦНИИТЭНефтехим,
2004. – 336 с.
14. Терентьев, Г.А. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов / Г.А. Терентьев, В.М. Тюков, Ф.В. Смаль. – М.: Химия, 1989. – 272 с.
15. Технология переработки нефти. В 2-х ч. Ч. 1. Первичная переработка нефти / Под ред. О.Ф. Глаголевой, В.М. Капустина. – М.: Химия,
КолосС, 2005. – 400 с.
16. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: справ. / И.Г. Анисимов, К.М. Бадыштова, С.А. Бнатов
и др.; под ред. В.М. Школьникова. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Изд.
центр «Техинформ», 1999. – 596 с.
17. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив: справ. / Н.Ф. Дубовкин, В.Г. Маланичева, Ю.П. Массур, Е.П. Федоров. –
М.: Химия, 1985. – 240 с.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Тараканов Геннадий Васильевич
СОВРЕМЕННЫЕ МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА
Учебное пособие
Издано в соответствии с системой менеджмента качества
ФГОУ ВПО «АГТУ»,
сертифицированной DQS по (DIN EN) ISO: 9001
в сфере высшего и дополнительного профессионального образования
Директор издательства А.В. Гречкин
Редактор А.К. Романенко
Компьютерная верстка И.В. Колесов
Дизайн обложки М.А. Горбунова
______________________________________________________________________________________________
Подписано в печать 05.04.2010. Формат 60×84/16.
Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 9,53. Уч.-изд. л. 8.
Тираж 150 экз. Заказ 301.
Издательство АГТУ.
414025, Астрахань, Татищева, 16
164
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
652
Размер файла
2 776 Кб
Теги
современные, топливо, моторных, 2568
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа