Текст книги "Справочник автолюбителя"

4.2. Качество автомобильного топлива

Совокупность всех свойств топлив, характеризующих их качество, можно разделить на физико-химические свойства и эксплуатационные. К физико-химическим относятся свойства, определяющие состояние топлива и их состав. Это – плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность, поверхностное натяжение, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость, элементный, фракционный и химический составы и др.

В группе эксплуатационных свойств сосредоточены те свойства, которые обеспечивают надежность и экономичность эксплуатации двигателей, машин и механизмов. Сюда же включают свойства, которые проявляются в процессах хранения и транспортирования, а также свойства, обусловливающие экологические особенности применения нефтепродуктов.

Рассмотрим более подробно понятие «уровень качества топлива», которое имеет особое значение. Многие требования к качеству топлива и смазочных материалов тесно связаны между собой. Поэтому количественное выражение этих требований имеет определенный оптимум. Под уровнем качества топлива и смазочных материалов следует понимать количественную оценку степени удовлетворения требований потребителя. Под оптимальным уровнем качества продукции следует иметь в виду такой уровень, при котором максимально удовлетворяются требования потребителя при минимальных затратах на их производство и потребление.

Оптимальный уровень находят не только для совокупности всех свойств, входящих в понятие «качество топлива», но и для каждого свойства в отдельности. При этом уровень качества продукта будет зависеть от уровня каждого свойства и значимости последнего в общем понятии качества.

Необходимо отметить, что не все свойства равноценны при оценке уровня качества нефтепродукта. Наиболее важный показатель часто используют при маркировке. Например, основное эксплуатационное свойство бензинов – детонационная стойкость, и оно нашло отражение в марках бензинов в виде цифр, характеризующих октановое число. Для дизельного же топлива более важны низкотемпературные свойства, поэтому в зависимости от температуры застывания его называют летним, зимним или арктическим. Уровень основных свойств топлив является сложной функцией и формируется с учетом следующих четырех факторов:

1) требований потребителей;

2) технических возможностей и затрат в нефтеперерабатывающей промышленности;

3) экономического эффекта от использования топлива;

4) взаимного влияния отдельных свойств, входящих в понятие качество топлива.

Первые два фактора просты в оценке, их давно используют в практике. Во многих случаях они определяют качество топлива, вырабатываемых в настоящее время. Наибольшего внимания и развития в ближайшее время требуют исследования и расчеты по третьему и четвертому факторам.

Для повышения уровня качества топлива, как правило, необходимо затратить какие-то средства. Эти средства вкладываются в новую технологию, в разработку и введение в эксплуатацию новых присадок, или в другие мероприятия. Но, естественно, что все эти затраты должны окупиться в дальнейшем при эксплуатации техники, использующей топливо или смазочные материалы с более высоким уровнем качества, т. е. должны увеличиваться сроки службы техники до капитального ремонта, либо уменьшаться расход запасных частей или расход новых видов топлива и смазочных материалов, либо улучшаться другие показатели. Народное хозяйство в целом должно иметь экономический эффект от перехода на производство и применение нефтепродуктов с более высоким уровнем качества.

Правильное и своевременное определение оптимального уровня качества продуктов нефтепереработки на фоне непрерывного роста их потребления приобретает важное экономическое значение. Использование нефтепродуктов с большим запасом качества, чем это требуется для данного двигателя, приводит к нерациональным их расходам. В то же время, применение топлива и смазочных материалов, не отвечающих требованиям эксплуатации, снижает надежность техники. Даже незначительные неточности в определении оптимальных значений показателей качества могут повлечь за собой огромные убытки.

Каждое свойство топлива и смазочных материалов можно охарактеризовать количественно каким-либо абсолютным либо относительным показателем. Многие физические параметры определяются в абсолютных показателях. При относительной оценке сопоставляют значение данного показателя качества нефтепродукта с показателем эталона. Так, октановое число бензина – это относительная оценка его детонационной стойкости, а за эталоны приняты изооктан и гептан.

Для оценки качества продукции стандартом определены три группы количественных показателей: единичные, комплексные и интегральные. По единичному показателю оценивают одно свойство изделия, а комплексные характеризуют изделие с разных, но взаимосвязанных сторон и включают несколько единичных показателей. Интегральный показатель качества отражает соотношение суммарного полезного эффекта от эксплуатации или потребления продукции и суммарных затрат на ее создание и эксплуатацию или потребление. Интегральный показатель по существу характеризует оптимальный уровень качества нефтепродукта.

4.3. Традиционные и альтернативные виды топлива

Топливо для тепловых двигателей должно отвечать следующим основным требованиям:

а) полностью испаряться и сгорать с максимальным выделением тепла и минимальным образованием токсичных и коррозионно-активных продуктов и отложений;

б) не вызывать затруднений при транспортировании, хранении и подаче по системе питания в любых климатических условиях;

в) быть обеспеченным сырьевыми ресурсами, быть недорогим и нетоксичным.

Перечисленным требованиям в наибольшей мере удовлетворяют жидкое нефтяное топливо. Его широко применяют в связи с высокой теплотой сгорания, относительно низкой стоимостью и удобством использования. Жидкое нефтяное топливо после сгорания не оставляет золы, хорошо транспортируется по трубопроводам и имеет ряд других преимуществ. Все это привело к тому, что жидкое нефтяное топливо во всем мире являлось и пока остается главным источником энергии для различного рода двигателей.

Жидкое нефтяное топливо по основному назначению можно разделить на несколько групп.

В первую группу входит топливо для поршневых двигателей с принудительным воспламенением. В таких двигателях испарение топлива и образование топливовоздушной смеси происходит вне цилиндров двигателя при относительно невысоких температурах. Для обеспечения нормальной работы двигателей необходимы легкоиспаряющиеся низкокипящие фракции углеводородов. В эту группу входят автомобильные и авиационные бензины, которые состоят преимущественно из углеводородов, выкипающих в диапазоне температур от 40 до 200 °C.

Ко второй группе относят топливо для поршневых двигателей с воспламенением от сжатия (дизелей). В этих двигателях испарение топлива осуществляется после его впрыска и распыливания в сильно нагретом (до 700 °C) воздухе. При таких температурах успевают испариться и образовать горючую смесь надлежащего состава более тяжелые фракции углеводородов. В быстроходных дизелях с высоким числом оборотов коленчатого вала применяют топливо, содержащее в основном фракции углеводородов с диапазоном выкипания от 180 до 360 °C, а в средне– и малооборотных двигателях успешно используют еще более тяжелое топливо, так как время, отводимое на их испарение в тихоходных двигателях, больше.

Непрерывный рост потребности в жидком топливе и ограниченность ресурсов нефти обусловливают необходимость поисков новых альтернативных видов топлива, получаемых не из нефти, а из другого сырья. В качестве источника получения такого топлива в первую очередь рассматривают уголь, запасы которого в мире превосходят запасы нефти и газа. При переработке угля можно получить жидкие продукты, содержащие углеводороды и неуглеводородные примеси. Наиболее прогрессивными являются методы термической обработки угля в атмосфере водорода в присутствии катализаторов. Из получающейся при этом смеси широкого фракционного состава могут быть получены бензин и дизельное топливо.

Переработка угля путем газификации водяным паром дает синтез-газ, из которого дальнейшей каталитической переработкой также получают жидкое топливо. Однако получение жидкого топлива из угля в настоящее время обходится дороже, чем производство их из нефти. По ориентировочным подсчетам, переработка дешевого угля в жидкое топливо на месте может быть рентабельной при «ожижении» углей существующими методами.

Газообразные углеводороды применяют в качестве топлива для многих котельных установок, электростанций, промышленных печей и других топочных устройств. Газовое топливо используют не только в промышленности, но и в быту. Газовая промышленность страны – это одна из наиболее быстро развивающихся отраслей народного хозяйства. Темпы роста добычи и производства горючих газов за последние годы опережают темпы роста добычи других видов топлива.

Газообразные углеводороды находят применение в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и, в первую очередь, для двигателей с принудительным зажиганием (подробнее об особенностях эксплуатации автомобилей с газовым оборудованием см. в разд. 8.4). Появляется все больше автомобилей, рассчитанных на использование газового топлива.

Углеводородные газовые виды топлива для автомобилей по их агрегатному состоянию при обычных температурах делят на сжатые и сжиженные. Основной газообразный углеводород, который применяют в сжатом виде, – метан. Этот углеводород при температуре выше – 82 °C (критическая температура) нельзя превратить в жидкость даже при сжатии до любых высоких давлений. На автомобилях сжатый газ хранят в баллонах при давлении до 20 мПа. Метан добывают не только на газовых месторождениях, но и получают в виде попутного газа на многих нефтяных месторождениях. Размещение ресурсов природных газов в разных районах страны и широкое развитие магистральных газопроводов позволяют считать метан в сжатом виде весьма перспективным топливом для двигателей внутреннего сгорания.

Сжиженные газообразные виды топлива содержат, в основном, пропан и бутан. Каждый из этих углеводородов в отдельности или в смеси хранят при обычных температурах в жидком виде в баллонах при давлении 1,6 мПа. Критическая температура для пропана —97 °C, для бутана —126 °C. Сжиженные газы в качестве автомобильного топлива имеют ряд преимуществ перед сжатыми газами, поэтому на сегодня они получили более широкое распространение. Однако большие запасы метана определяют перспективность использования сжатых газов в качестве топлива для двигателей.

В последние годы возрос интерес к применению метана и в сжиженном виде при очень низких температурах. Изготовлены специальные топливные баки с соответствующей изоляцией, которые позволяют свести к минимуму потери жидкого метана при его использовании.

Из газообразных альтернативных видов топлива для двигателей следует упомянуть водород. Высокая теплота сгорания и отсутствие вредных веществ в продуктах сгорания ставят водород в ряд самых предпочтительных видов топлива для двигателей. Но высокая стоимость водорода и трудности, связанные с заправкой и хранением, пока препятствуют его широкому использованию. Ведутся исследовательские работы по применению водорода не только как самостоятельного топлива, но и как добавки к обычным видам топлива нефтяного происхождения.

Среди альтернативных видов топлива можно также выделить такие кислородсодержащие продукты, как спирты и эфиры. Один из эфиров – метил-третбутиловый эфир – оказался эффективным компонентом автомобильных бензинов. Введение его в бензин улучшает важнейшее эксплуатационное свойство – детонационную стойкость. Этот эфир прошел все испытания с положительными результатами, и во многих странах сейчас строятся установки по производству метил-третбутилового эфира в промышленных масштабах. Широкое применение его в качестве компонента автомобильных бензинов начнется в ближайшее время.

Из спиртов наиболее интересен метанол, причем как самостоятельный вид топлива, так и как компонент топлива нефтяного происхождения. Метанол привлекает прежде всего широкими сырьевыми возможностями. Его можно производить из газа, угля, древесины, биомассы, различного рода отходов и др. Использовать метанол можно непосредственно как топливо или как промежуточное сырье для получения различных соединений. Добавление 5 % метанола в бензин нефтяного происхождения не вызывает каких-либо трудностей в эксплуатации двигателей и уже сейчас практикуется в некоторых странах. Правда, наряду с преимуществами, метанол имеет и недостатки, над преодолением которых в настоящее время работают и у нас в стране, и за рубежом. К недостаткам метанола следует отнести его высокую токсичность, меньшую теплоту сгорания, высокую теплоту испарения, коррозионную активность, гигроскопичность и др. Тем не менее широкие сырьевые ресурсы позволяют считать метанол перспективным топливом. Ведутся работы по применению метанола не только в двигателях с принудительным зажиганием, но и в дизелях.

4.4. Эксплуатационные свойства топлива

В соответствии с назначением топлива процесс сгорания является главнейшим и определяющим его эксплуатационные свойства. Иными словами, способность топлива сгорать достаточно полно и равномерно при любых режимах эксплуатации с выделением наибольшего количества тепла – это и есть его важнейшее эксплуатационное свойство. Эксплуатационное свойство формируется и обусловливается несколькими показателями качества топлива – теплотой сгорания, детонационной стойкостью, пределами стабильного горения и т. п.

Процессу сгорания топлива, безусловно, предшествуют процессы его испарения, воспламенения и многие другие. Характер поведения топлива в каждом из этих процессов и составляет суть основных эксплуатационных свойств топлива. В настоящее время рассматривают и оценивают следующие эксплуатационные свойства топлива.

Испаряемость характеризует способность топлива переходить из жидкого состояния в парообразное. Это свойство формируется из таких показателей качества топлива, как фракционный состав, давление насыщенных паров при различных температурах, поверхностное натяжение и др. Испаряемость имеет важное значение при подборе топлива и во многом определяет технико-экономические и эксплуатационные характеристики двигателей.

Воспламеняемость характеризует особенности процесса воспламенения смесей паров топлива с воздухом. Оценка этого свойства базируется на таких показателях качества, как температурные и концентрационные пределы воспламенения, температуры вспышки и самовоспламенения и др. Показатель воспламеняемости топлива имеет такое же значение, как и его горючесть; в дальнейшем эти два свойства рассматриваются совместно.

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

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

Склонность к образованию отложений — это способность топлива образовывать отложения различного рода в камерах сгорания, в топливных системах, на впускных и выпускных клапанах. Здесь подразумеваются отложения, образующиеся как при относительно низких температурах в системах питания и смесеобразования двигателей, так и отложения нагара, получающиеся при высоких температурах в процессе сгорания топлива. Оценка этого свойства базируется на таких показателях, как зольность, коксуемость, содержание смолистых веществ, непредельных углеводородов и т. д.

Коррозионная активность и совместимость с неметаллическими материалами характеризует способность топлива вызывать коррозионные поражения металлов, набухание, разрушение или изменение свойств резин, герметиков и других материалов. Это эксплуатационное свойство предусматривает количественную оценку содержания в топливе коррозионно-активных веществ, испытание стойкости металлов, резин и герметиков при контакте с топливом.

Защитная способность — это способность топлива защищать от коррозии материалы при их контакте с агрессивной средой в присутствии топлива и в первую очередь способность топлива защищать металлы от электрохимической коррозии при попадании воды. Это свойство оценивается специальными методами, предусматривающими воздействие обычной и морской воды на металлы в присутствии топлива.

Противоизносные свойства характеризуют уменьшение изнашивания трущихся поверхностей в присутствии топлива. Это свойство имеет важное значение для двигателей, у которых топливные насосы и топливно-регулирующая аппаратура смазывается только самим топливом без подачи смазочного масла. Свойство оценивается показателями вязкости и смазывающей способности.

Охлаждающая способность определяет возможность топлива поглощать и отводить тепло от нагретых поверхностей при использовании топлива в качестве теплоносителя. Свойство имеет значение в тех случаях, когда топливо применяют для охлаждения масла (топливомасляные радиаторы) или наружной обшивки летательного аппарата при больших скоростях полета. Оценка свойства базируется на таких показателях качества, как теплоемкость и теплопроводность.

Стабильность характеризует сохраняемость показателей качества топлива при хранении и транспортировании. Это свойство оценивает физическую и химическую стабильность топлива и его склонность к биологическому поражению бактериями, грибками и плесенью. Уровень этого свойства позволяет установить гарантийный срок хранения топлива в различных климатических условиях.

Экологические свойства характеризуют воздействие топлива и продуктов его сгорания на человека и окружающую среду. Оценка этого свойства базируется на показателях токсичности топлива и продуктов его сгорания и пожароопасности.

Склонность к нагарообразованию. При сгорании топлива в дизелях на стенках камеры сгорания и выпускных клапанах образуется нагар. Нежелательные последствия отложения нагара в дизелях оцениваются несколько иначе, чем в карбюраторных двигателях. Теплоизолирующее действие нагара и его объемное влияние на степень сжатия для дизельного двигателя не имеют такого решающего значения, как для карбюраторного.

Отложение нагара на выпускных клапанах дизельного двигателя ведет к нарушению их посадки и потере герметичности. Обрастание нагаром продувочных окон ухудшает газообмен в двухтактных двигателях.

Основные же отрицательные последствия в дизельных двигателях связаны с образованием нагара и отложений на форсунках. Наличие нагара на распылителях вызывает искривление факела, ухудшение качества распыливания, появление дымного выпуска отработавших газов и снижает экономичность двигателя. Попадание частичек нагара под иглы распылителей форсунок приводит к их зависанию, т. е. такому положению, когда игла не плотно садится в свое гнездо и не перекрывает канал распылителя форсунки. В результате этого топливо подтекает, падает мощность и экономичность двигателя, появляется дымный выпуск отработавших газов. Характер отложений на различных деталях камер сгорания неодинаков. На днищах поршней и стенках головки цилиндров нагар более плотный, довольно твердый, темно-серого цвета, нерастворимый в различных растворителях.

На иглах форсунок нагар обычно более мягкий, смолистый, соломенного цвета. Иногда отложения на иглах форсунок по внешнему виду похожи на лак, такие же отложения появляются и на боковых поверхностях поршней.

Нагарообразование в дизельных двигателях протекает неравномерно по времени. В первые часы работы двигателя этот процесс идет интенсивно, затем несколько замедляется, достигая равновесного состояния (масса образующегося нагара примерно равна массе выгорающего нагара).

Нагарообразование, кроме конструктивных факторов и режима работы двигателя, зависит от качества применяемого топлива. Среди физико-химических свойств на образование отложений влияют такие характеристики, как фракционный состав, общее содержание сернистых соединений и содержание меркаптановой серы, природа и концентрация алкенов и ароматических углеводородов, содержание и характер смолистых веществ.

Более тяжелые виды дизельного топлива образуют больше нагара. Так, если облегченные виды дизельного топлива типа керосинов (пределы выкипания от 130 до 280 °C) в определенных условиях дают 100–140 мг нагара на 1 кг топлива, то в аналогичных условиях товарные виды дизельного топлива (пределы выкипания от 160 до 360 °C) – 245–265 мг/кг, нагара, а виды топлива утяжеленного фракционного состава (выкипающие до 400–420 °C) – около 360 мг/кг.

Чем выше содержание серы в топливе, тем больше нагара и лака получается при его сгорании. Сера, содержащаяся в топливе, влияет не только на массу образующегося нагара, но и на его свойства. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность.

Влияние серы на нагарообразование является одной из причин ограничения ее содержания в товарном дизельном топливе. При сгорании гидроочищенного топлива нагарообразование снижается в 1,5–2 раза.

Среди сернистых соединений, присутствующих в дизельных топливах, наибольшее влияние на нагарообразование оказывают меркаптаны. В присутствии меркаптанов ускоряется окисление нестабильных соединений дизельного топлива и тем самым увеличивается скорость образования отложений. Поэтому содержание меркаптановой серы в товарном дизельном топливе не должно превышать 0,01 %. Удаление меркаптанов из сернистого дизельного топлива приводит к тому, что в 2–5 раз уменьшается толщина лаковых пленок на иглах, а температура начала осмоления игл распылителей форсунок повышается на 25–30 °C.

Среди углеводородов, содержащихся в дизельном топливе, на процесс нагарообразования в большей степени влияют алкены и ароматические углеводороды. С увеличением содержания ароматических углеводородов склонность топлива к нагарообразованию возрастает.

Существенную роль в процессе нагарообразования играют алкены, в частности олефины. В топливе, полученном прямой перегонкой нефти, их содержание невелико. Добавление к топливу, полученному прямой перегонкой нефти, компонентов вторичной переработки нефти (от процессов термического и каталитического крекинга) повышает содержание олефинов в дизельном топливе. Испытания показали, что добавление к топливу, полученному прямой перегонкой нефти, даже 20 % дизельных фракций термического крекинга приводит к резкому ухудшению его эксплуатационных свойств, а именно снижается стабильность при хранении и повышается склонность к нагарообразованию. Такое топливо вызывает быстрое осмоление игл распылителей форсунок и их зависание. В связи с этим добавление продуктов термического крекинга в товарные виды топлива для быстроходных дизелей запрещено.

В продуктах каталитического крекинга меньше алкенов, поэтому в товарное дизельное топливо из сернистой нефти допускается добавлять до 20 % каталитического газойля.

С увеличением содержания смолистых веществ склонность дизельного топлива к нагарообразованию возрастает. Добавление к обессмоленному топливу всего лишь 0,25 % смолистых веществ приводит к образованию отложений и зависанию игл распылителей форсунок.

Содержание смолистых веществ в дизельном топливе оценивают так же, как в автомобильных бензинах – определением содержания фактических смол. С увеличением содержания фактических смол в дизельном топливе их склонность к нагарообразованию возрастает. Поэтому одно из требований к качеству дизельного топлива – содержание фактических смол не должно превышать 30–60 мг/100 мл.

Склонность дизельного топлива к нагарообразованию зависит также от его коксуемости и зольности.

Коксуемость — это способность топлива образовывать в условиях нагрева без доступа воздуха остаток в виде угля (кокса). Для дизельного топлива коксуемость зависит от их фракционного состава и содержания смолистых и нестабильных соединений. Чем быстроходней и термически напряженней двигатель, тем меньше должна быть коксуемость применяемого топлива. Коксуемость определяют либо для топлива в целом, либо для его 10 %-ного остатка после перегонки (коксуемость 10 %-ного остатка должна быть не более 0,5 %).

Зольность топлива характеризует содержание в нем несгораемых примесей: чем меньше зольность, тем меньше неорганических примесей попадает в нагар. Увеличение массы золы в нагаре ведет к повышению его абразивных свойств. Допустимое содержание золы в дизельном топливе лежит в пределах 0,01—0,02 %.

Товарное дизельное топливо, отвечающее указанным выше требованиям по фракционному составу, йодному числу, содержанию фактических смол, общей и меркаптановой серы, зольности и коксуемости, обеспечивает работу двигателей на всех режимах с незначительным образованием отложений.