5.8. Желательные компоненты в моторных топливах.

Эксплуатационные свойства моторных топлив

Эксплуатационные свойства топлив определяют их поведение в механизмах, в которых они непосредственно применяются.

Как правило, товарные топлива готовят путем компаундирования анало­гичных фракций различных процессов нефтепереработки. Необходимость такого подхода к производству товарных бензинов, дизельных топлив, авиационного керосина и т. д. заключается, прежде всего, в том, что те или иные фракции одного процесса или не отвечают требованиям стандарта, или про­изводятся в небольших количествах. Другая причина необходимости смешения различных фракций в процессе приготовления товарных топлив лежит в экономической плоскости, которая связана с различной себестоимостью бензиновых фракций разных процессов.

Для более глубокого понимания этой проблемы представляется необхо­димым рассмотреть подробнее основные показатели топлив, определяющие качество товарных продуктов.

Автомобильный бензин

Товарные бензины — это смесь легкокипящих жидких углеводородов, преимущественно С₅ – С₁₂ различного строения с температурой кипения 40-195°С.

Основными показателями качества карбюраторных топлив, обеспечивающими перечисленные требования, являются детонационная стойкость, концентрация серы, фракционный состав, давление насыщенных паров и химическая стабильность.

 Детонационная стойкость для бензинов - это основной показатель качества. Важность этой характеристики связана с режимом сгорания топлива в двигателе. Известно, что характер сгорания топлива может быть нормальным и детонационным.

Детонация зависит от химического состава бензинов. Явление детонации связано с особенностями окисления и горения углеводородов различных классов. Во время всасывания углеводороды топлива вступают в реакцию окисления с кислородом воздуха, образуя пероксиды и гидропероксиды. Они распадаются с выделением свободных радикалов, которые реагируют с но­выми молекулами. Реакция приобретает цепной характер. После воспламе­нения рабочей смеси от искры реакция окисления еще более ускоряется за счет возрастания температуры и давления. При нормальной работе двигателя концентрация пероксидов и скорость реакции поддерживаются постоянными. В неотрегулированном двигателе, либо при некачественном топливе часть топлива остается несгоревшей и в ней нарастает концентрация пероксидов. При достижении некоторой предельной их концентрации реакция пероксидов приобретает взрывной характер, несгоревшая часть топлива мгно­венно самовоспламеняется, и происходит детонационное горение.

Радикалы обладают огромной реакционной способностью и поэтому долго не живут, а бурно реагируют друг с другом. При этом выделяется колоссальное количество тепла, которое и становится причиной детонации. Отсюда следует вывод: во избежание детонации бензин должен содержать минимум нормальных алканов. Однако совсем без них бензин не бывает, т. к. отсутствие н-алканов приводит к плохому горению топлива.

Циклоалканы, и в особенности голоядерные, детонируют значительно меньше. Практически совсем не детонируют арены. В большей степени это касается голоядерных аренов и аренов с короткими заместителями. Однако увлекаться большим содержанием аренов в топливе нельзя, ибо арены в принципе горят плохо, т. к. в них много углерода и мало водорода.

Единственными углеводородами, которые хорошо горят и не дают де­тонации являются изоалканы (от С₅ до С₁₀).

 Так как детонационную стойкость топлива определяет октановое число (ОЧ), то этому показателю отводят наибольшее внимание. Октановое число - это число, выражающее объемную долю изооктана в смеси с п-гептаном. Для изооктана детонационная стойкость принята за 100, а для и-гептана - за 0. Например, если испытуемый бензин по своей детонационной стойкости оказался при испытаниях эквивалентным смеси из 80 % изооктана и 20 % л-гептана, то его октановое число составляет 80 пунктов. Чем выше октано­вое число бензина, тем выше его качество.

Среднеарифметическое значение между октано­выми числами, измеренными по моторному и исследователькому методам, называют дорожным октановым числом.

 Фракционный состав бензинов тесно связан с качеством режи­ма работы автомобильного двигателя. Так температуры начала кипения и 10 % отгона характеризуют пусковые свойства двигателя, испаряемость топ­лива, легкость запуска двигателя. Эти требования достигаются включением в состав бензина легких компонентов (алкилата, изомеризата, МТБЭ и др.). Стандартные требования для автобензина равны для температуры начала кипения - >35 °С, а 10 % должны перегоняться при температуре <70 °С.

Температура 50 % отгона топлива влияет на скорость разогрева двигате­ля, качество воздушно-топливной смеси в нагретом двигателе, плавный пе­реход работы двигателя с режима на режим, равномерность распределения топлива по цилиндрам. Для разных марок бензинов ее нормируют либо <100, либо < 115 °С. Евростандарт (ЕОС) ограничивает долю отгона при 100 °С 50 процентами, а при 150 °С 80 процентами.

Температуры 90 % отгона и конца кипения бензина характеризуют на­личие в бензине тяжелых, трудноиспаряемых компонентов, мощность двига­теля, расход и полноту сгорания топлива. Российский стандарт и требования нормативных актов США предусматривают, что 90 % отгона товарного бензина не должно превышать 180 °С, а конец кипения для разных сортов бензина - от 185 до 195 °С. Повышение температуры конца кипения бензина приводит к неполному горению топлива, повышенному износу цилиндров и поршневой группы, вследствие смывания масла со стенок цилиндров и его разложения в картере, а также неравномерному распределению рабочей сме­си по цилиндрам.

Бензины каталитического крекинга, пиролиза и коксования включают значительное количество непредельных углеводородов. Небольшое количество бензина-алкилата, бензина-изомеризата, бензина-полимеризата, а также кислородсодержащих добавок (МТБЭ и др.) в то­варных бензинах связано с ограниченностью их ресурсов и экономическими факторами.

Дизельное топливо

Дизельные топлива в последнее время находят все более широкое применение в качестве моторного топлива. Достаточно отметить, что начато использование дизтоплив даже в легковых автомобилях. Особенно в этом преуспела Западная Европа.

 В производстве дизельных топлив применяют нефтяные фракции 160- 360 °С.

Цетановое число. Основным показателем качества товарного дизельного топлива для всех марок является цетановое число. Этот показа­тель является количественной оценкой воспламеняемости дизельного топ­лива. Методика определения цетанового числа в качестве эталонов для его расчета принимает за 100 воспламеняемость цетана (н-С₁₆Н₃₄), а за 0 - вос­пламеняемость а -метилнафталина. Поэтому величина цетанового числа ди­зельного топлива эквивалентна цетановому числу соответствующей эталон­ной смеси н-цетана и а -метилнафталина.

Величина цетанового числа топлива определяется его химическим составом.

Известно, что наименьшими температурами самовоспламенения среди углеводородов различных классов обладают н-алканы, а наибольшими - арены. Поэтому н-алканы имеют самые большие значения цетановых чисел, а бициклические арены - наименьшие.

Изоалканы, алкены, циклоалканы и моноциклические арены имеют проме­жуточные значения цетановых чисел. Отсюда вытекает, что в дизельном то­пливе предпочтительнее иметь н-алканы и нежелательно присутствие аренов, особенно бициклических.

Качество дизельных топлив повышается путем добавления в него разнообразных присадок, например, депрессорных, цетаноповышающих, моющих, противоизносных, антидымных и др.

 Авиационное топливо

Авиационное топливо можно разделить по назначению на два вида: авиационные бензины для поршневых двигателей и топливо для реактивных двигателей (ТС-1 и РТ соответственно).

Основные требования к авиацион­ным бензинам - это высокая детонационная стойкость на бедной и богатой топливно-воздушной смеси, фракционный состав 40-180 °С, температура на­чала кристаллизации не выше минус 60 °С, давление насыщенных паров — не выше 29,3 кПа.

При подготовке товарного РТ или перед применением в него могут вводиться антиокислительные, противоизносные, антистатические и противообледенительные присадки. Антиоксидантом в отечественной топливной промышленности служит в основном 2,6-ди-трет-4-метилфенол (Агидол) в количестве 0,003-0,004 % масс.

Противоизносными присадками к реактивному топливу служат Ствол и Сигбол в композиции с ПМАМ-2 (полиметаклатная). Известно также приме­нение для этой цели отечественной присадки типа «Л» и импортной Хайтек, которые добавляют в реактивное топливо в количестве 0,003 - 0,0035 %. Присадка Сигбол, обладающая комплексом полезных свойств, используется и как антистатическая присадка. Для этой цели она становится эффективной уже в концентрации 0,00005 %.

 Фракционный состав. Это основной показатель, фактически определяющий все остальные свойства реактивного топлива. Стандарт ог­раничивает температуру начала кипения топлива РТ 135-155 °С, а ТС-1 - не выше 150 °С. 10 % топлива отгоняется при температуре не более 175 °С (РТ) и не более 165 °С (ТС-1). Для сравнения: 10 % авиакеросина - отгоняется при температуре не более 205 °С. 98 % топлива РТ отгоняется при температуре не выше 280 °С (97 % топлива  отгоняется при температуре не более 300 "О.) Таким образом, российское реактивное топливо отличается от американского топлива более легким фракционным составом.

Реактивное топливо марки Т-6 получают из газойлевых фракций различных первичных и вторичных процессов нефтепереработки после их глубокой очистки и стаби­лизации путем интенсивного гидрирования.