ОЦІНКА ЯКОСТІ НАФТОПРОДУКТІВ НАЙПРОСТІШИМИ МЕТОДАМИ



МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

Кафедра «Трактори і автомобілі»

 

Паливно-мастильі та інші експлуатаційні матеріали.

Практикум

 

Для самостійної роботи студентів

 

 

"Рекомендовано Міністерством аграрної політики та продовольства України як навчальний посібник для підготовки фахівців ОКР "бакалавр" напряму 6.100102 " Процеси, машини та обладнання агропромислового комплексу" у вищих навчальних закладах ІІ-ІV рівнів акредитації Міністерства аграрної політики та продовольства України" – від 28. 09. 2011 р. № 18-1-13/1335

 

 

Дніпропетровськ 2011


УДК 665.71

 

Практикум для самостійної роботи студентів факультету механізації сільського господарства денної форми навчання  з дисципліни "Паливно-мастильні та інші експлуатаційні матеріали" з напряму підготовки 6.100102 – Процеси, машини та обладнання агропромислового виробництва., ОКР "Бакалавр"

В практикумі наведений стислий матеріал лекцій та методика виконання лабораторних робіт з дисципліни "Паливно-мастильні та інші експлуатаційні матеріали" для самостійної підготовки студентів до модульних контрольних заходів.

 

 

Укладачі: канд. техн. наук, професор Охмат П.К.,

            канд. техн. наук, доцент Хорсєв П.В.,

              старший викладач Бойко В.Б.,

            асистент Терентьєва Н.Л.

 

 

Рецензенти: Заренбін В.Г., докт. техн. наук, професор, зав. кафедри «Експлуатації та ремонту машин» Придніпровської державної академії будівництва та архітектури

 

Кухаренко П.М. канд. техн. наук, доцент декан факультету МСГ (ДДАУ)
ПЕРЕДМОВА

 

    Ефективна експлуатація автотракторної техніки в агропромисловому комплексі (АПК) безпосередньо пов'язано з використанням| різних паливно-мастильних матеріалів.

    При експлуатації автотракторної і спеціальної техніки на виконанні сільськогосподарських| робіт використовується широкий спектр експлуатаційних матеріалів, до яких належать палива|пальні|, масла|мастила|, пластичні і тверді мастильні|мастильних| матеріали|, технічні рідини|, резино-технічні| вироби, лакофарбові| і антикорозійні| матеріали, клеї, герметики і інше.

В даний час|нині| індустрія виробництва паливо-мастильних| матеріалів (ПММ) отримала|одержувала| новий імпульс розвитку у зв'язку з широким впровадженням нових енергоємних технологій в АПК, які вимагають застосування|вживання| широкої гамми нових експлуатаційних матеріалів|коштів|.

 Велике значення має підготовка висококваліфікованих фахівців|спеціалістів|, що володіють необхідним рівнем теоретичних| і практичних знань в області застосування|вживання| і правильного  використання експлуатаційних матеріалів.

    В посібнику представлено|посібник||уявляти| теоретичний курс, що охоплює питання технологічних циклів виробництва експлуатаційних матеріалів їх основних характеристик і сфери застосування. Кожен розділ теоретичного курсу, підкріплений методичними рекомендаціями проведення лабораторних робіт по даному розділу і контрольними питаннями по ньому.

 

 

ТЕОРЕТИЧНИЙ КУРС

 

1. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ПАЛИВ ДЛЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ЗАСОБІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ВИРОБНИЦТВА.

ВИДИ ПАЛИВ, ВЛАСТИВОСТІ ТА ГОРІННЯ

 

1.1. КЛАСИФІКАЦІЯ, ВЛАСТИВОСТІ ТА ЗАГАЛЬНИЙ СКЛАД

ПАЛИВ

 

Паливом називають речовину, яку спеціально спалю­ють для одержання тепла.

Воно повинно відповідати таким основним вимогам:

· порівняно легко займатися;

· при згорянні виділяти якомога біль­ше теплоти;

· бути поширеним у природі;

· доступним при видобуванні;

· дешевим при виробництві;

· не змінювати свої властивості при транспортуванні та зберіганні;

· бути нетоксичним;

· при згорянні не виділяти шкідливих та отруйних речовин.

 

Палива класифікують за такими основними ознаками:

· агрегатним станом;

· походженням і способом одержання;

· тепловою цінністю;

· цільовим призначенням або застосуванням.

За агрегатним станом всі види палив підрозділяють на:

· тверді;

· рідкі;

· газоподібні.

За походженням ділять на:

· нафтові;

· не нафтові або альтернативні.

За способом одержання палива бувають:

· природні, які використовують у тому вигляді, в якому вони існують у природі;

· штучні, якщо після видобутку їх переробляють.

За тепловою цінністю (теплотою згоряння) палива ділять на:

· висококалорійні;

· середньокалорійні;

· низькокалорійні.

За цільовим призначенням паливо розрізняють:

· для двигунів з примусовим запалюванням (бензин і газоподібне паливо);

· реактивні і дизельні палива;

· тощо.

У сільському господарстві застосовують всі види палив: рідке – забезпечує роботу сільськогосподарської техніки, стаціонарних двигунів та інших теплових установок; газоподібне – у газобалонних автомобілях і газогенераторних установках, для технологічних і побутових потреб; тверде – для різних виробничих, а також побутових потреб.

Будь-яке паливо складається з двох основних частин: горючої; негорючої (баласт).

Склад твердого  і  рідкого  палива  визначається  у процентах  за  масою, газоподібного – у процентах за об'ємом.

Горюча частина містить різні органічні сполуки, до складу яких входять такі хімічні елементи: вуглець (С), водень (Н), сірка (S), кисень (О), азот (N), а також ті неорганічні сполуки, які під час горіння палива, розкладаючись, утворюють леткі речовини.

Вуглець – основна горюча складова, зі збільшенням частки якої зростає теплова цінність палива. Вміст вуглецю у різних видах палива коливається у межах від 50 % (дрова) до 98 % (антрацит).

Водень за теплотою згоряння майже у 4 рази цінніший ніж вуглець. Враховуючи, що вміст водню в паливі до 25 % – це друга за значимістю складова горючої частини палива.

Кисень, що входить в склад палива, не горить і тому фактично є внутрішнім баластом горючої частини. Вміст кисню становить від 0,5 % до 43 %. Чим більше в горючій частині кисню, тим менш цінне паливо.

Азот, як і кисень, не горить, є внутрішнім баластом горючої частини. У твердому і рідкому паливі вміст азоту невеликий (0,5...1,5 %) і тому вплив його на теплову цінність палива незначний. Однак у деякому газоподібному паливі (наприклад, генераторний газ) вміст азоту становить біля 50 %, що різко знижує його теплову цінність.

Сірка є горючим елементом і, входячи до складу палива у вільному стані або у вигляді органічних і сульфідних сполук, бере участь у горінні. Але не зважаючи на це, сірка є дуже небажаною складовою, палива, тому що під час горіння сірки утворюються сполуки SO2, SО3, які викликають газову корозію, а з'єднуючись з вологою, яка завжди є у паливі, перетворюються у сірчисту та сірчану кислоти, які викликають рідинну корозію металів. Вміст сірки у твердому паливі коливається від 0,01 до 8 %, а у нафтах – від 0,1 до 4 %. При переробці палива намагаються вміст сірки за можливістю довести до мінімуму.

Негорюча частина у твердому і рідкому паливі складається з мінеральних домішок (при згорянні утворюють золу (попіл)) А і вологи W. Ця частина, зменшуючи об'єм горючої частини і відбираючи частину теплоти на своє нагрівання, знижує теплову цінність палива. Крім того зола прискорює абразивне спрацювання деталей циліндро-поршневої групи двигунів, а волога збільшує корозію та ускладнює експлуатацію установок взимку.

Вміст мінеральних домішок у рідкому паливі вимірюється десятими частинами процента, а у твердому — десятками процентів.

Мінеральні домішки і вологу розділяють на:

· зовнішні, які потрапляють у паливо з навколишнього середовища при його добуванні, транспортуванні, зберіганні;

· внутрішні, що входять до його хімічного складу.

Залежно від фізичного стану палива, при якому визначають його елементний склад, розглядають маси: робочу (р); аналітичну (повітряносуху, лабораторну) (а); суху (с); горючу (г); органічну (о).

Паливо, яке надходить до споживачів у природному стані та містить, крім горючої частини, золу і вологу, називають робочим. Елементний склад палива виражають рівнянням:

 

(1.1)

 

У тих випадках, коли паливо піддають лабораторному дослідженню, з нього готують аналітичну пробу, яку при­водять для повітряносухого стану. При цьому паливо містить тільки внутрішню вологу.

Суха маса не має вологи, оскільки вона одержана штучним сушінням при температурі 105 °С.

Горюча маса – це паливо, що не має вологи і золи. А якщо з палива видалити ще і сір­ку, то отримують органічну масу.

Загальний склад палива для різного його стану схематично показаний на рис. 1.

 

 

 

 

 

Рис. 1.1 Загальний склад палива:

 

І – органічна маса; II – горюча; III – суха; IV – лабораторна (аналітична);

V – робоча маса.

 

Горюча частина газоподібного палива включає: водень (Н), оксид вуглецю (СО), метан (СН4), та інші вуглеводні (СnНm) з числом атомів вуглецю до чотирьох. Негорюча частина включає:  пари води і негорючі гази (СО2, N2, О2).


1.2. ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА

 

Цінність будь-якого палива перш за все визначають за кількістю теплової енергії, що є в одиниці його маси або одиниці об'єму.

Кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння одиниці маси (1 кг рідкого або твердого) або одиниці об'єму (1 м3 газоподібного) палива, назива­ють питомою теплотою згоряння (теплотворністю) пали­ва (надалі у тексті просто теплота згоряння).

При згорянні вода, яка міститься в паливі та утворю­ється від згоряння водню, перетворюється в пару. На па­роутворення води витрачається теплота. Теплоту згорян­ня називають вищою (QB) у тому випадку, коли пари води конденсуються і теплота, що затрачена на пароутворення, звільняється. Якщо ж пари води виносяться з димовими або відпрацьованими газами, частина теплоти втрачається і таку теплоту називають нижчою (QH).

На практиці найчастіше для визначення теплоти згоряння застосовують формули Д.І.Менделєєва. Відповідно до них теплоту згоряння рідких і твердих палив, кДж/кг, визна­чають так:

 

(1.2)

 

, (1.3)

 

де С, Н, О, S, W, елементний склад палива, відсотки за масою; 25 – коефіцієнт, який враховує втрати теплоти, що виноситься продуктами згоряння в атмосферу (1 кг пари при виносі в атмосферу забирає 2500 кДж/кг); 9Н – чис­ло масових частин води, що утворюється при згорянні однієї масової частини водню; W – вміст води.

Теплоту згоряння газоподібного палива, кДж/м3, у роз­рахунку на суху масу визначають за формулами:

 

(1.4)

 

(1.5)

 

де СО, Н2, СН4, СnНm – склад газоподібного палива, про­центи за об'ємом при нормальних умовах (0°С, тиск 760 мм рт. ст.).

Теплоту згоряння робочої маси газоподібного палива, що містить вологу, підраховують за формулами:

 

                                                                                                     (1.6)

 

(1.7)

 

де 0,805 – маса 1 м3 газу, кг.

Для порівняння різних видів палива, а також для обліку загальних запасів палива і складання замовлень встановлений еталон – умовне паливо, теплота згоряння якого для твердого і рідкого палива рівна 29307 кДж/кг, а для газоподібного – 29307 кДж/м3. При порівнянні палив визначають їх теплові (калорійні) еквіваленти, які є відношенням теплоти згоряння будь-якого палива до теплоти згоряння умовного:

 

(1.8)

 

Щоб перерахувати фактичне паливо в умовне потрібно його масову кількість помножити на тепловий еквівалент.

 

1.3. ГОРІННЯ ПАЛИВА

                  

Горінням називають швидкоплинну реакцію, яка супроводжується виділенням теплоти і випромінюванням світла. Як правило, це процес окислення, сполучення палива з киснем повітря (іноді з чистим киснем) або з іншим окислювачем. Характерною особливістю цього процесу є велика швидкість протікання реакції, при якій тепло, що виділяється, не встигає розсіюватися, внаслідок чого різко підвищується температура

Горіння – складний процес, при якому хімічні реакції супроводжуються фізичними явищами: перемішуванням палива і повітря, дифузією, теплообміном тощо.

Розрізняють горіння:

· гомогенне горіння, коли паливо і окислювач знаходяться в газоподібному стані;

· гетерогенне, коли речовини знаходяться в різному агрегатному стані, наприклад, рідкі і газоподібні та вибухове.

Температура, при якій хімічний процес різко прискорюється при зіткненні з відкритим вогнем і речовина займається, називається температурою займання. Якщо займання речовини відбувається без стикання з відкритим вогнем, отримаємо температуру самозаймання. Далі горіння продовжується внаслідок безперервного виділення тепла, необхідного для підтримування температури на достатньо високому рівні.

Швидкість процесу горіння залежить в основному від умов сумішоутворення. Залежно від цього горіння розділяють на

· кінетичне – процес утворення суміші палива і повітря передує горінню,

· дифузійне – якщо процеси відбуваються одночасно.

За температуру горіння приймають температуру, до якої нагріваються газоподібні продукти згоряння внаслідок горіння палива.

Розрізняють температура горіння:

· теоретичну – максимальна температура, яка може бути досягнута при відсутності втрат від теплообміну;

· дійсну – температура горіння при реальних умовах. Процес горіння супроводжується теплообміном і тепловими втратами, тому продукти згоряння мають дійсну температуру, яка нижче теоретичної.

Дійсну температуру горіння розраховують за формулою:

 

(1.9)

де   QО – питома кількість теплоти, яка є в паливі і повітрі, кДж/кг;

 - нижня питома кількість теплоти спалювання палива, кДж/кг;

ηТ – ККД двигуна (топки);

q – питома кількість теплоти, що віддається при нагрівання поверхням нагріву, яке приходиться на одинцю маси палива, кДж/кг;

qД – питома кількість теплоти, що витрачається на реакцію дисоціації продуктів горіння палива, кДж/кг;

VГ – об'єм окремих компонентів продуктів горіння, м3/кг;

сГ – об'ємні теплоємності компонентів продуктів горіння при калориметричній температурі горіння ТК, кДж/кг·град.

Співвідношення палива і окислювача, яке відповідає хімічній реакції повного окислення паливних елементів (повне згоряння) називається стехіометричним.

Кількість кисню, теоретично необхідна для спалювання 1 кг твердого або рідкого палива, можна визначити на основі стехіометричного відношення для реакцій горіння елементів горючої маси палива (С, Н, S).

Із рівнянь повного згоряння цих елементів:

С + О2 = СО2, (12 + 32 → 44),

2 + О2 = 2Н2О, (4 + 32 → 36),

S + О2 = SО2, (32 + 32 → 64),

 

враховуючи їх атомну масу, знахо­димо, що для спалювання 12 кг вуглецю потрібно 32 кг кисню, для спалювання 1 кг вуглецю потрібно 32/12 = 2,67 кг кисню. Аналогічно, для спалювання 1 кг водню потрібно 8 кг кисню, а для спалювання 1 кг сірки – 1 кг кисню.

Тоді формула для підрахунку теоретично необхідної кількості кисню, кг, для спалювання 1 кг палива буде мати вигляд:

 

(1.10)

 

де С, Н, S,О – хімічні елементи горючої частини палива, % за масою.

Для спалювання палива, як правило, подається повітря, в якому кисень становить 23,2 % за масою. Тоді теоретично необхідну кількість повітря, кг, для спалювання 1 кг палива визначають за формулою:

(1.11)

 

Кількість повітря зручніше визначати в м3/кг. Тоді фор­мула матиме вигляд:

 

(1.12)

де 1,29 – маса 1 м3 повітря.


Для газоподібного палива кількість повітря (м33) визначають за формулою:

(1.13)

 

де n – число атомів вуглецю;

m – число атомів водню;

21 – вміст кисню у повітрі, % за об'ємом.

 

Склад газу у формулі наведений у процентах за об'ємом.

У виробничих умовах здійснити повне спалювання па­лива з теоретично необхідною (розрахунковою) кількістю повітря практично неможливо. Тому для повного спалювання, як правило, подають надлишок повітря, тобто процес відбувається не з розрахунковою, а з фактичною (дійс­ною) кількістю повітря LД.

Відношення дійсної витрати повітря до теоретично не­обхідної для спалювання 1 кг (1 м3) палива називають коефіцієнтом надлишку повітря (α):

 

(1.14)

 

Суміш палива і повітря називають пальною сумішшю. Залежно від співвідношення кількості палива і повітря пальна суміш може бути:

· нормальна а = 1,

· бідна а > 1,

· багата а < 1.

При значеннях близьких до одиниці – збіднена або збагачена пальна суміш.

 

Коефіцієнт надлишку повітря визначають за формулами:

при повному згорянні:

(1.15)

при неповному:

(1.16)

 

де О2, СО, N2 – процентний вміст за об'ємом у продуктах згоряння відповідно кисню, оксиду вуглецю (визнача­ють за допомогою спеціальних приладів-газоаналізаторів) і азоту (підраховують за різницею N2 = 100 – (СО2 + О2 + СО).

Теплота  згоряння пальної    суміші   (QПС) залежить   від  кількості  теплоти,  що виділяється паливом і об'єму повітря:

 

(1.17)

Для різних видів палив теплота згоряння нормальних пальних сумішей приблизно однакова – 2770 кДж/кг.

Пальну суміш, яка змішалась із залишковими газами від попереднього циклу, називають робочою. Якщо потрібно визначити її теплоту згоряння, то вносять поправку на коефіцієнт надлишкових газів. На практиці теплоту згоряння пальної і робочої суміші прирівнюють.

Характер процесу горіння можна визначити за складом продуктів згоряння палива. Для цього існують різні газоаналізатори: хімічні, електричні, магнітні, механічні.

Більш точні – це хімічні, більш зручні – автоматичні і електричні. Найпоширеніші прості хімічні газоаналізатори, які дозволяють визначати у відпрацьованих газах вміст вуглекислого газу, кисню і оксиду вуглецю. Принцип дії газоаналізаторів полягає в поглинанні розчинами певних складових елементів, відпрацьованого газу, який послідовно пропускають через ці розчини. За відповідним збільшенням об'єму знаходять процентний вміст кожного окремо поглиненого компонента.

 

2. СПОСОБИ ОТРИМАННЯ РІДКИХ ПАЛИВ І МАСЕЛ

 

2.1 НАФТА – ОСНОВНА СИРОВИНА ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ РІДКИХ ПАЛИВ І МАСЕЛ

 

Нафта, яку добувають з надр землі – в'язка, масляниста рідина з характерним запахом. Колір її залежить від кількості розчинених у ній смол (темно-бура, буро-зелена, а іноді майже безкольорова). На світлі нафта ледь флуоресціює. Густина нафти коливається у межах 750...950 кг/м3; зустрічаються нафти з густиною 1030 кг/м3.

Питання про походження нафти залишається відкритим. Існує ряд гіпотез походження нафти, які можна розділити на три групи: неорганічна (абіогенна), органічна (біогенна) та комплексна.

Промислові родовища нафти являють собою найчастіше осадову пористу породу (пісок, вапняк),що просочена нафтою. Вони мають пори, достатні за розмірами, щоб у них могла перебувати та рухатися нафта.

Відмінні ознаки нафти в різних родовищах пояснюються різницею материнської органічної речовини та неоднаковими умовами нафтоутворення.

Промислове добування нафти провадять з бурових свердловин. Бурова свердловина – це вертикальна виробка діаметром 0,15...0,25 м, глибина якої залежить від залягання нафти.

Постійними супутниками нафти, яку добувають з свердловин, є розчинені в ній вуглеводневі гази, пластова вода з розчиненою мінеральною сіллю, механічні домішки. На нафтопромислі перед транспортуванням споживачам, від нафти за допомогою відстоювання відділяють гази, механічні домішки, більшу частину води та розчинену у ній сіль.

Нафта – складна за хімічним складом і структурою рідина. Розрізняють хімічний склад нафти: елементний, груповий.

Елементним хімічним складом нафти називають вміст в ній окремих хімічних елементів, виражених в процентах за масою.

Основними елементами нафти і нафтопродуктів є: вуглець – 83...87 %, водень – 11... 14 %, сірка – 0,1...5,8 %, кисень – 0,1... 1,3 %, азот – 0,03... 1,7%, сліди металів (заліза, нікелю, ванадію та ін.).

Вуглець і водень входять у склад нафти у вигляді різних сполук-вуглеводнів. Кисень азот знаходяться найчастіше у зв'язаному стані. Сірка мо­же бути як у зв'язаному, так і у вільному стані.

Груповим хімічним складом нафти називають вміст у ній окремих хімічних груп, які характеризуються співвідношенням та структурою сполук вуглецю і водню. Хімічні групи (гомологічні ряди) вуглеводнів характеризуються перш за все кількісним співвідношенням атомів вуглецю і водню. Це співвідношення виражається емпіричною формулою групи.

Парафінові вуглеводні (алкани). Загальна емпірична формула цієї групи вуглеводнів – СnН2n+2, де n – число атомів вуглецю. Найпростішим представником цієї групи є метан – СН4. Кількість парафінових вуглеводнів (парафінів) залежить від родовища нафти і складає 25...30 %. Парафінові вуглеводні з кількістю атомів вуглецю до 4 у звичайних умовах – гази, від 5 до 15 – рідини, а починаючи з 16 і вище – тверді. Газоподібні та тверді парафіни, при певних умовах, можуть бути розчинені у рідкій частині нафти.

За своєю структурою парафінові вуглеводні бувають:

· нормальними (ланцюги вуглецю прямі) – н-парафіни;

· ізобудови (ланцюги розгалужені) – ізопарафіни, почина­ючи з С4Н10.

Чим складніша молекула речовини, тим більше ізомерів вона може мати.

Парафінові вуглеводні мають найбільшу теплоту згоряння. При нормальних умовах вони хімічно стабільні, тому палива, і мастильні матеріали, які містять велику кількість парафінових вуглеводнів стабільні при зберіганні.

З підвищенням температури властивості н-парафінів та ізопарафінів відрізняються. Нормальні парафіни внаслідок швидкого окислення при високих температурах знижують антидетонаційні властивості (детонаційну стійкість) бензину і поліпшують самозаймистість дизельного палива. Але внаслідок того, що вони мають порівняно високу температуру застигання погіршують низькотемпературні властивості дизельних палив. У масляних фракціях н-парафіни поліпшують їх в'язкісно-температурні, але погіршують низькотемпературні властивості.

Ізопарафіни підвищують антидетонаційні властивості бензинів і погіршують самозаймистість дизельного палива. Мають кращі низькотемпературні властивості у порівнянні з н-парафінами.

Нафтенові вуглеводні (циклани), як і парафіни, є основною, а іноді переважаючою складовою частиною нафти. Емпірична формула нафтенових вуглеводнів (нафтенів) СnН2n. На відміну від парафінових вуглеводнів атоми вуглецю у молекулах розміщуються у вигляді замкнутого кільця, і з'єднані між собою простим валентним зв'язком. У нафті та нафтопродуктах зустрічаються головним чином циклани, молекули яких включають п'ять або шість атомів вуглецю, що утворюють кільце. їх називають моноцикланамй. Крім моноцикланів у нафтопродуктах, які одержують з більш важких фракцій нафти, є складні нафтенові вуглеводні у складі двох і більше нафтенових кілець, їх називають поліцикланами. Майже всі нафтенові вуглеводні мають бокові парафінові ланцюги.

Нафтенові вуглеводні при низьких і помірних температурах за своєю хімічною активністю подібні до н-парафінів, а при високих (до 400 °С і вище) за здатністю окислятися наближаються до ізопарафінів.

За антидетонаційними властивостями нафтенові вуглеводні наближаються до ізопарафінів, тому бажані у бензинах. Вони мають низьку температуру застигання і є цінним компонентом дизельних зимових палив.

Присутність цикланів з боковими ланцюгами у маслах бажана, тому що вони надають їм антиокислювальну і термічну стійкість, поліпшують їх в'язкісно-температурні властивості, знижуючи температуру застигання. Нафтенові вуглеводні є основною частиною моторних масел.

Ароматичні вуглеводні (арени) у нафті є в значно меншій кількості ніж парафінові та нафтенові, хоч в нафтах окремих родовищ вміст ароматичних вуглеводнів (арома-тиків) 'може досягати кількох десятків процентів.. Як і нафтени, ароматики мають кільця, але у них одинарні зв'язки чергуються з подвійними. Простим представником цього ряду є бензол, що відповідає загальній емпіричній формулі СnН2n-6. У звичайних умовах ароматики характеризуються високою хімічною стійкістю, хоч і поступаються перед нафтеновим вуглеводнями. Ароматики стійкі до окислення і при високих температурах. Вони є цінним компонентом бензинів, оскільки мають високі антидетонаційні властивості, але при цьому мають підвищену схильність до нагароутворення, тому в товарних бензинах вміст ароматичних вуглеводів повинен не перевищувати 40...45 %. У дизельному паливі ароматики небажані, бо знижують його самозаймистість.

Вміст ароматичних вуглеводів, особливо поліциклічних, у маслах збільшує їх в'язкість, але погіршує в'язкісно-.температурні властивості.

У склад продуктів переробки нафти можуть входити ненасичені вуглеводні. В їх молекулах між атомами вуглецю утворюється подвійний зв'язок. Ці вуглеводні легко окислюються і осмолюються, оскільки подвійні зв'язки нестійкі, здатні до реакцій полімеризації та приєднання. Присутність ненасичених вуглеводнів погіршує стабільність нафтопродуктів при зберіганні. При високих температурах вони гірше окислюються ніж н-парафіни і тому підвищують антидетонаційні властивості бензину, але погіршують самозаймистість дизельного палива.

До складу нафти входять не тільки сполуки вуглецю і водню, а також сполуки, що містять кисень, сірку і азот. Найчастіше це похідні вуглеводнів.

Кисень з вуглеводнями нафти утворює органічні кисло­ти і смолисто-асфальтові речовини. Його вміст у нафті складає 0,1...1,3 %. З органічних кислот найчастіше присутні нафтенові кислоти, які зосереджені головним чином у легкому і середньому масляних дистилятах. Нафтенові кислоти викликають корозію кольорових металів, передусім свинцю та цинку.

 Сірчисті сполуки у нафті та нафтопродуктах погіршують їх якість. Сірчисті сполуки – сірководень Н2S, меркаптани (органічні сполуки загальної формули RSН, де R – вуглеводневий радикал), а також вільна сірка належать до групи активних речовин, що викликають корозію металів.

Азотисті сполуки присутні в нафті у невеликій кількості (не більше 0,3 %) найчастіше у вигляді аміаку, головним чином, у важких фракціях. Оскільки вони погіршують якість нафтопродуктів, то їх видаляють при очищенні.

 

2.2. ОСНОВНІ СПОСОБИ ОДЕРЖАННЯ ПАЛИВ І МАСЕЛ З НАФТИ

 

Виробництво палив і масел – складний процес, який включає отримання первинних компонентів, їх змішування та покращення присадками до товарних показників.

Розрізняють три основних варіанти переробки нафти:

· паливний;

· 0паливно-масляний;

· комплексний (нафтохімічний).

Незалежно від варіанту розрізняють способи переробки нафти:

· фізичні (первинні) – структура молекул вуглеводнів, що входять до її складу не змінюється; до цих способів відносять: електрознесолюючі установки (ЕЛОУ) і пряму перегонку на атмосферно-вакуумних установках (АВТ);

· хімічні (вторинні) – вуглеводневий склад нафтопродуктів відрізняється від складу нафти.

ЕЛОУ призначені для видалення залишків води і розчиненої в ній солі, а також мінеральних (водорозчинних) кислот, якщо вони присутні. Знесолювання починають з того, що нафту забирають із заводського резервуара і змішують з водою, деемульгаторами, лугами (за умови, що в нафті є кислоти). Потім суміш нагрівають до температури 80...120 °С і подають в електродегідратор, де під дією електричного поля і температури вода й розчинені в ній неорганічні сполуки відділяються від нафти, тільки після цього вона надходить на первинну перегонку.

Первинну перегонку нафти провадять на атмосферно-вакуумних трубчастих установках (рис. 2.1), які дозволяють в одному технологічному процесі здійснювати випаровування і розділення її на окремі складові частини – фракції (дистиляти), що відрізняються температурою кипіння.

 

Процес розділення нафти на паливні, а мазуту на масляні дистиляти відбувається так. Нафта, що подається насосом 7, під тиском приблизно 1 МПа проходить через теплообмінники дистилятів 6 і далі в невелику випаровувальну колону 8, звідки легкокипляча (газоподібна) частина нафти надходить у ректифікаційну колону, а головна маса – в трубчасту піч 1. У печі, проходячи по змійовику нафта нагрівається до температури 330...350°С і частково випаровується. Суміш випарованої нафти та її частина, що не випарувалася, надходить в ректифікаційну колону 2.

У ректифікаційній колоні відбувається розділення пари нафти на фракції, причому можна відбирати в одну групу фракції, в яких температура кипіння відрізняється лише на 5...8°С. Найпоширенішими фракціями прямої перегонки є дистиляти: бензиновий 35...200°С, лігроїновий 110...230°С, гасовий 140...300°С, газойлевий 230...330°С і соляровий 280...380°С. Але з точки зору затрат, чим вужчі фракції, тим дорожче перегонка, нафту спочатку переганяють на широкі фракції.

 

 

Рис. 2.1. Схема нафтоперегонної установки:

1 – трубчаста піч; 2 і 5 – ректифікаційні колони; 3 – холодильники;

4 – конденсатор-газовіддільник; 6 – теплообмінник; 7 – насос; 8 – випарювальна колона; 9 – вакуумна трубчаста піч

 

Продуктами такої перегонки є: вуглеводневий газ, бензинова, гасова, дизельна фракції та залишок (мазут), який використовується як сировина для одержання масляних дистилятів. Для цього мазут нагрівають у вакуумній трубчастій печі 9, що дозволяє знизити температуру кипіння та повніше з нього випаровувати *(без розщеплення) масляні фракції до температури 420...430°С. У ректифікаційній колоні 5, залежно від варіанту переробки нафти, одержують широку масляну фракцію – вакуумний газойль, або вузькі Масляні дистиляти для виробництва різних масел. Залишок — гудрон, а при менш глибокій перегонці – напівгудрон, після відповідної очистки ви­користовують для виготовлення високов'язких (залишкових) масел

З метою збільшення виходу з нафти паливних фракцій здійснюють хімічні деструктивні (вторинні) способи її переробки – розщеплення важких вуглеводневих молекул на більш легкі. Такий процес перетворення вуглеводнів називають крекінг-процесом.

Розроблені і знайшли застосування кілька видів крекінгу:

· термічний,

· каталітичний,

· гідрокрекінг,

· каталітичний риформінг.

Термічний крекінг – такий вид деструктивної переробки нафтової сировини, при якому розщеплення та зміна структури вуглеводнів відбувається під дією температури і тиску.

Другим різновидом термічного крекінгу є коксування – процес одержання дистиляту широкого фракційного складу і нафтового коксу з мазуту, гудрону тощо. Коксування відбувається при температурі 505...515 °С і тиску 0,2...0,3 МПа.

У даний час термічний крекінг через низьку якість палив, одержаних цим способом (вони не забезпечують вимоги сучасних двигунів), майже повністю витіснений іншими сучасними способами вторинної переробки нафти.

Каталітичний крекінг – основний сучасний спосіб одержання високоякісного бензину з важких фракцій

Каталітичний риформінг призначений для підвищення детонаційної стійкості бензинів і одержання ароматичних вуглеводнів. Це основний спосіб виробництва високооктанових бензинів (АИ-93, АИ-98).

Гідрокрекінг – процес, призначений для одержання світлих нафтопродуктів – бензину, гасу, дизельного пали­ва, а також зріджених газів при переробці нафтової сировини, яка має більш високу молекулярну масу (газойль, нафтовий залишок) під тискам водню.

Алкілування – процес одержання алкілбензину, високооктанових компонентів бензину каталітичним приєднан­ням алкільних радикалів (алкілуванням) з ізобутану, бутилену і пропілену. Каталізаторами служать концентрована сірчана кислота або безводний фтористий водень. Процес відбувається під тиском 0,35...0,60 МПа і температурі 5...15 °С. В результаті цього одержують легкий алкілат – високооктановий компонент бензину (октанове число 91...95 за моторним методом) і важкий алкілат – (використовують як розчинник або компонент дизельного палива).

 

2.3. СПОСОБИ ОЧИСТКИ НАФТОПРОДУКТІВ

 

Нафтопродукти, що одержують в результаті переробки нафти, ще непридатні до застосування, тому що містять не лише корисні сполуки, але й такі, які негативно впливають на їх експлуатаційні властивості: сірчисті; кисневі; азотисті; смолисті речовини; ненасичені вуглеводні.

Для підвищення якості нафтопродукти очищають різними способами залежно від якості сировини, способу виробництва нафтопродукту і умов його використання. Існуючі способи очистки поділяють на:

- хімічні (сірчанокислотна, лужна, плюмбітами і хлоридами металів, гідрогенізація та ін.) – грунтуються на тому, що небажані сполуки нафтопродуктів вступають у хі­мічні реакції з реагентом;

- фізичні (селективними розчинниками і різними адсорбентами) – грунтуються на розчиненні небажаних сполук або їх адсорбції на поверхнево-активних речовинах.

Очистка сірчаною кислотою – один із найстаріших способів. Полягає в тому, що сірчана кислота по різному реагує з вуглеводнями і домішками, які містяться в нафтопродуктах. При нормальній температурі кислота майже не реагує з парафіновими і нафтеновими вуглеводнями. Ароматичні вуглеводні при незначній кількості кислоти практично також не реагують з нею.

Ненасичені вуглеводні утворюють продукти полімеризації – кислі і середні ефіри сірчаної кислоти. Сірчисті сполуки, за винятком сірководню та елементної сірки, також видаляються з нафтопродуктів сірчаною кислотою.

Для очистки нафтопродуктів використовують 96%-у сірчану кислоту. Витрати кислоти для очистки палив становить 0,2...0,8%, для дистилятних масел – 5...6%, а залишкових – до 30% маси нафтопродукту.

Сірчану кислоту застосовують при очистці прямогонних нафтопродуктів. Для очистки крекінг-продуктів сірчана кислота непридатна, оскільки, вступаючи в реакцію з ненасиченими вуглеводнями, призводить до великих втрат продукту, що очищають.

Очистка лугом – доповнює сірчанокислотну. В процесі відбувається нейтралізація кислих сполук, що утворилися в результаті обробки сірчаною кислотою.

Гідроочистка – обробка сировини воднем при підви­щеній температурі і тиску в присутності каталізаторів – один з нових і найперспективніших способів очистки нафтопродуктів від сірчистих сполук та інших небажаних до­мішок.

Селективна очистка масел – один з найпоширеніших способів очистки моторних масел, відбувається за допомогою розчинників, які мають вибіркову розчинну властивість. Існує два способи селективної очистки:

- розчинення небажаних домішок, вуглеводневий склад масла залишається без змін;

- вилучення основної частини масла, до­мішки при цьому не розчиняються.

 

2.4 ЗАГАЛЬНІ ПОКАЗНИКИ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ І ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАФТОПРОДУКТІВ

 

Поняття «якість продукту» нерозривно пов'язане з його застосуванням. Якість продукту виявляється через влас­тивості, що необхідні для оцінки його придатності до зас­тосування за призначенням. Кожний з показників якості по-своєму важливий, тому сукупність їх дозволяє оцінити якість нафтопродуктів.

В хіммотології всі властивості нафтопродуктів поділяють за найбільш важливими ознаками на:

· фізико-хімічні – визначаються стандартними методами аналізів в лабораторних умовах, до них відносять густину, випарність, температури спалаху, помутніння, застигання, вміст механічних домішок, води тощо;

· експлуатаційні – характеризують продукт безпосередньо у вузлі, агрегаті, механічні, до них відносять детонаційну стійкість, схильність до нагаро- лако- і осадкоутворень (стабільність), миючі, корозійні, протиспрацювальні та інші властивості..

Густина – це маса речовини, яка міститься в одиниці об'єму. В системі СИ густина вимірюється в кг/м3, але на практиці найчастіше мають справу з безмірною величиною – відносною густиною. Відносна густина – відношення маси речовини, при температурі визначення, до маси води при 4 °С, при однаковому їх об'ємі. Густина води при 4 °С прийнята за одиницю.

У стандартах передбачається визначати відносну густину при 20°С ( ). У тих випадках, коли температура визначення густини відрізняється від 20°С одержане значення густини при і °С, приводять до стандартної за формулою:

 

(2.1)

 

де γ – температурна поправка на 1°С (знаходять за розрахунковими таблицями; змінюється в межах 0,000515…0,000910).

Визначають густину в виробничих умовах з допомогою нафтоденсиметрів, але існують й інші методи, які застосовують при лабораторних випробуваннях (за допомогою пікнометрів, гідростатичних ваг).

Для визначення густини в'язких рідин, коли неможливий безпосередній замір за допомогою нафтоденсиметра, готують суміш рідини, густину якої досліджують, з розчинником відомої густини у відповідному співвідношенні (наприклад 1:2). Визначають густину суміші, а потім перераховують густину в'язкої рідини за формулою:

 

(2.2)

 

де ρх – густина в'язкої рідини; 

ρсум – густина суміші;

ρрозч – густина розчинника.

 

В’язкість – це властивість рідини чинити опір взаємному переміщенню її шарів під дією зовнішньої сили. Зовнішньою ознакою в'язкості є ступінь рухомості рідини: чим менше в'язкість, тим рідина рухоміша, і навпаки. В'язкість залежить головним чином від хімічного складу і температури нафтопродуктів. Розрізняють в'язкості:

· динамічну;

· кінематичну;

· умовну.

Динамічна в’язкість (η) – коефіцієнт внутрішнього тертя. Одиницею вимірювання є Паскаль·секунда (Па·с), яка чисельно дорівнює опору, що виникає при взаємному переміщенні двох шарів рідини площею 1 м2, віддалених на 1 м один від одного, з швидкістю 1 м/с під дією сили в 1 Н. Допускається застосовувати одиницю Пауз – П(г/см2·с), 1 П = 0,1 Па·с.

Кінематична в’язкість (γ) – питомий коефіцієнт внутрішнього тертя, відношення динамічної в'язкості до густини, при тій же температурі. Одиниця вимірювання – м2/с або мм2/с = 10–6м2/с:

 

(2.3)

 

Умовна в’язкість – величина, яка показує у скільки разів в'язкість нафтопродукту при температурі вимірювання більша або менша в'язкості дистильованої води при температурі 20 °С. Умовна в'язкість вимірюється в градусах умовної в'язкості (°ВУ).

Для переходу від умовної в'язкості до кінематичної використовують спеціальні таблиці або формулу:

 

(2.4)

 

Стабільність нафтопродуктів. Під стабільністю нафто­продуктів розуміють їх здатність зберігати свої властивості в допустимих межах для конкретних експлуатаційних умов. Умовно розрізняють стабільність: фізичну та хімічну.

Фізичну стабільність нафтопродуктів визначають як можливість зберіга­ти фракційний склад (зміни визиваються втратою найбільш легких фракцій в результаті випаровування) і однорідність. Фізичну стабільність оцінюють і контролюють періодично, визначаючи густину, фракційний склад, тиск насиченої пари, температуру помутніння і застигання, вміст механічних домішок і води, та інші показники.

Під хімічною стабільністю нафтопродуктів розуміють їх здатність зберігати без зміни свій хімічний склад, бо в умовах експлуатації та довготривалого зберігання деякі з сполук (сірчисті, азотисті, кисневі, металоорганічні) можуть вступати в реакції окислення, полімеризації, конденсації, кінцевим результатом яких є накопичення смолистих речовин, лакових відкладень, нагарів.

Фактичні смоли– це смолисті речовини, які уже присутні в нафтопродуктах. Вміст фактичних смол нормується стандартами і визначається випаровуванням гарячим повітрям певної кількості нафтопродукту (100 мл) при підвищеній температурі (для бензину 150°С, дизельного палива 250°С) за залишком в мг, одержаним після випаровування.

 

 

Рис. 2.2. Залежність корозійного зносу від

теплового режиму роботи двигуна

 

Потенціальні смоли – це смолисті речовини, які можуть утворюватися в процесі окислення і полімеризації, головним чином ненасичених вуглеводів нафтопродукту.

Одна з основних вимог до нафтопродуктів — це мінімальна корозія металів з якими вони контактують. Під корозією розуміють самовільне руйнування твердих тіл внаслідок хімічних і електрохімічних процесів, що розвиваються на поверхні тіл при їх взаємодії із зовнішнім середовищем. Корозія металів відбувається внаслідок їх взаємодії з хімічно активними речовинами, що містяться в нафтопродуктах (водорозчинні кислоти, луги, органічні кислоти тощо). Від вуглеводнів нафтопродукту метали не кородують.

Сірка шкідлива не тільки з точки зору корозійного спрацювання деталей, а також і тому, що при роботі двигунів на паливі з високим вмістом сірки утворюється більше твердого і щільного нагару, частинки якого, потрапляючи в масло, прискорюють зношування циліндро-поршневої групи та зменшують термін роботи самого масла.

 


3. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИКОРИСТАНН АВТОМОБІЛЬНИХ БЕНЗИНІВ

 

До двигунів з примусовим запалюванням відносять поршневі і роторно-поршневі карбюраторні двигуни, двигуни з системою впорскування палива і двигуни, що працюють на газоподібному паливі. Основним рідким паливом для цих двигунів є бензин. Бензин – це складна суміш летких ароматичних, нафтенових, парафінових вуглеводнів та їх похідних з числом атомів вуглецю від 5 до 10, середньою молекулярною масою біля 100. Легкозаймиста, без кольору або жовтувата (коли без спеціальних добавок) рідина, що википає при 35...205°С.

Карбюраторні двигуни характеризуються зовнішнім сумішоутворенням. Пальна суміш утворюється в спеціальному приладі – карбюраторі. Процес сумішоутворення полягає в розпилюванні, випаровуванні, перемішуванні бензину з такою кількістю повітря, яка необхідна для його згоряння.

Бензини повинні відповідати всім основним вимогам до будь-якого палива, крім того, деяким специфічним:

· мати хороші сумішоутворюючі властивості при роботі двигуна в різних експлуатаційних умовах;

· мати високу детонаційну стійкість, що забезпечує нормальне згоряння палива при різних режимах роботи двигуна.

 

3.1. СУМІШОУТВОРЮЮЧІ ВЛАСТИВОСТІ БЕНЗИНІВ

 

Процес сумішоутворення в двигунах з примусовим запалюванням умовно поділяють на дві стадії: дозування палива та випаровування палива.

На дозування палива впливають його основні фізичні властивості густина в'язкість.

Зі зниженням температури в'язкість палива збільшується в 8...10 раз швидше, ніж густина.

Для надійної роботи двигуна ще недостатньо точно реалізувати дозування палива, дуже важливо, щоб паливо перед згорянням випарувалось і утворилась пальна суміш. Утворення суміші палива і повітря залежить як від фізичних властивостей самого палива (фракційний склад, тиск насиченої пари, поверхневий натяг), так і від умов в яких відбувається даний процес (відносна швидкість палива і повітря, їх температура тощо).

Фракційний склад встановлює залежність між кількісним вмістом фракцій палива (в процентах за об'ємом) і температурою, при якій воно переганяється. Від фракційного складу бензину залежить пуск двигуна, час його прогрівання і прийомистість, спрацювання деталей циліндро-поршневої групи; витрата палива, масла; токсичність відпрацьованих газів тощо.

За температурою перегонки 10 % бензину (t10%) роблять висновок про наявність в ньому пускових (головних) фракцій, від яких залежить легкість пуску холодного двигуна. Чим нижча ця температура, тим легше і швидше можна запустити двигун.

Якщо бензин має дуже низьку температуру, то на прогрітому двигуні, особливо в спеку, під капотом в системі живлення можуть випаровуватись легкокиплячі вуглеводні, утворюючи пари, об'єм, яких у 15...200 разів більше об'єму бензину. При цьому вони порушують подачу палива з паливного бака до бензонасоса, тому це явище одержало назву «парової пробки».

Використання бензину з високим вмістом легкокипля­чих фракцій, крім утворення «парових пробок», може при­звести, при підвищеній вологості до обледеніння карбюраторів, внаслідок різкого зниження температури у впускній системі.

За величиною втрат при перегонці бензину роблять вис­новок про здатність його до випаровування при транспортуванні та зберіганні.

На сумішоутворюючі властивості бензину впливають його в'язкість і поверхневий натяг. Чим менша їх величи­на, тим дрібніше розпилюється паливо, тим більша поверхня його випаровування.

Поверхневий натяг усіх автомобільних бензинів одна­ковий і при температурі 20 °С дорівнює 20...24 мН/м, тобто приблизно в 3,5 рази менший, ніж у води.

На утворення однорідної пальної суміші, крім названихвище властивостей, впливає ще і вміст механічних домішок і води.

Механічні домішки в бензині не допускаються, оскіль­ки вони призводять до засмічення паливних фільтрів, паливопроводів, жиклерів, що порушує нормальну роботу двигуна, крім того, потрапляючи в двигун механічні доміш­ки прискорюють спрацювання його циліндро-поршневої групи.

Вода в бензині не допускається. Вона небезпечна при температурі нижче 0 °С, бо замерзаючи, утворює криста­ли, які можуть припинити доступ бензину. Крім того вода сприяє окисленню бензину, оскільки в ній розчиняються стабілізатори, крім того вона є основною причиною коро­зії деталей системи живлення. Тому потрібно регулярно зливати з паливних баків воду і осад.

 

3.2. НОРМАЛЬНЕ І ДЕТОНАЦІЙНЕ ЗГОРЯННЯ

 

Згоряння робочої суміші може бути: нормальним, жаровим, детонаційним.

Нормальне згоряння. У двигунах з примусовим запалюванням робоча суміш (стиснута до 1...1,5 МПа і нагріта теплотою стиску до 350...380°С) займається від електрич­ної іскри і згоряє в процесі поширення фронту полум'я по всій камері згоряння. При цьому виділяють три фази зго­ряння (рис. 3.1.): утворення осередка горіння (ділянка а), швидкого поширення фронту полум'я (ділянка б), дого­ряння (ділянка в).

Рис.3.1. Кут повороту колінчастого вала, град.

Перша – починається з моменту подачі іскри і закін­чується в момент помітного підвищення тиску внаслідок згоряння. В цій фазі, осередок горіння, що виник між електродами свічки, поступово перетворюється в розвину­тий фронт полум'я.

Друга – основна фаза швидкого поширення фронту по­лум'я (середня швидкість 15...80 м/с) протікає практично при незмінному об'ємі, так як поршень протягом цієї фази знаходиться біля верхньої мертвої точки. Закінчується фа­за в момент досягнення максимального тиску в циліндрі двигуна.

Третя – процес догорання робочої суміші.

Детонаційне згоряння. Під час роботи двигуна внаслі­док деяких причин (підвищеної температури, невідповід­ності октанового числа бензину вимогам двигуна, а також якості бензину вимогам стандарту тощо) може виникнути детонаційне (вибухове) згоряння робочої суміші або про­сто детонація. При детонаційному згорянні фронт полум'я поширюється зі швидкістю 1000...2300 м/с, а температура підвищується до 2500...3000°С.

Спочатку займання робочої суміші відбувається від іс­кри свічки запалювання і фронт полум'я температурою 2000...2500°С поширюється з нормальною швидкістю. Так згоряє навіть при інтенсивній детонації, як правило, 75 % робочої суміші, а при слабкій – 95 %.

Властивість бензину протистояти детонації оцінюється октановим числом, мінімальне значення якого відображено у марці бензину.

За еталонне паливо прийнята суміш з різним вмістом (за об'ємом) двох вуглеводнів – ізооктану (С8Н12) і нор­мального гептану (С7Н16). Ізооктан має високу детонаційну стійкість, яка умовно прийнята за 100, нормальний гептан – дуже низьку, що прийнята за 0.

Октанове число (04) бензину дорівнює процентному (за об'ємом) вмісту ізооктану в такій суміші з нормальним гептаном, яка рівноцінна за антидетонаційними властивос­тями даному паливу при стандартних умовах випробування. Октанове число визначають порівнянням детонаційної стійкості даного бензину з еталонним паливом, октанове число якого відоме, на стандартному одноциліндровому двигуні зі змінним ступенем стиску.

Некероване (жарове) запалювання. Однією з форм ано­мального згоряння є згоряння, що визване некерованим запалюванням, коли робоча суміш займається не від іскри в певний момент, а самочинно від перегрітих деталей (ви­пускних клапанів, електродів свічок) або розжарених час­тинок нагару. Жарове запалювання порушує нормальне протікання процесу згоряння, і відповідно погіршує техніко-економічні показники двигуна.

Характерною зовнішньою ознакою жарового запалю­вання в карбюраторному двигуні є продовження роботи двигуна з дуже малою частотою обертання колінчастого вала (200...300 хв–1) після виключення запалювання.

Основні заходи боротьби з жаровим запалюванням по­лягають у поліпшенні конструкцій камер згоряння, зміні властивостей нагару, що утворюється, за рахунок додаван­ня спеціальних присадок у палива.  

Зменшити безпеку виникнення жарового запалюван­ня можна і правильним підбором свічок. їх для конкретно­го двигуна вибирають так, щоб, з одного боку, виключити можливість жарового запалювання на теплонапружених режимах, а з другого боку, забезпечити на мінімальних ре­жимах незакоксовування свічки.

 

4. ЕКСПЛУАТИВНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИКОРИСТАННЯ ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ

 

4.1. УМОВИ ЗАСТОСУВАННЯ І ОСНОВНІ ВИМОГИ ДО ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ

 

У сільському господарстві дизельні двигуни є джерелом енергії на тракторах, комбайнах, самохідних сільськогоспо­дарських машинах, великовагових автомобілях. Основна перевага дизельних двигунів – їх висока економічність, питома ви­трата палива на 25...30 % нижча ніж у карбюраторних дви­гунів. Дизельне паливо дешевше, менш вибухо- і пожежо-небезпечне у порівнянні з бензином.

Дизельне паливо – це складна суміш парафінових, наф­тенових, ароматичних вуглеводнів і їх похідних з числом атомів вуглецю 10...20, середньої молекулярної маси 200...250, які википають у межах 170...380°С. Прозора, більш в'язка ніж бензин, масляниста рідина від жовтувато­го до світло-коричневого кольору густиною 780...860 кг/м3. Одержують дизельне паливо прямою перегонкою нафти з додаванням до 20 % продуктів каталітичного крекінгу.

Робочий процес дизельного двигуна відрізняється від робочого процесу карбюраторного двигуна тим, що сумішо­утворення відбувається в кінці такту стиску за дуже короткий проміжок часу. Паливо впорскується в камеру згоряння за кілька градусів до ВМТ, де знаходиться стиснене під тис­ком 3,4...4,4 МПа і нагріте за рахунок цього до температу­ри 500...800°С повітря. Контактуючи з повітрям, паливо випаровується, нагрівається до температури самозаймання і перемішуючись з повітрям згоряє. Цей процес продовжує­ться всього 0,002...0,003 с, що в 10...15 разів швидше, ніж у карбюраторному двигуні.

Надійна і економічна робота дизельних двигунів забез­печується за умови правильного підбору палива, установки оптимального кута випередження впорскування і коли су­міш повністю згоряє під час робочого ходу. В іншому ви­падку збільшується димність відпрацьованих газів, змен­шується потужність, зростає питома витрата палива.

Вимоги до дизельного палива аналогічні загальним ви­могам до всіх палив, крім того, вони повинні мати добру прокачувальну здатність, особливо при низьких температу­рах; оптимальний фракційний склад і відповідну в'язкість щоб забезпечувати якісне сумішоутворення і надійно зма­щувати деталі системи живлення; відповідну самозаймистість, яка забезпечить м'яку, бездимну і економічну роботу двигуна на різних режимах.

 

4.2. ПРОКАЧУВАЛЬНА ЗДАТНІСТЬ І СУМІШОУТВОРЮЮЧІ ВЛАСТИВОСТІ ДИЗЕЛЬНИХ ПАЛИВ

 

Надійність подачі дизельного палива залежить від прокачувальної здатності (здатності проходити через елементи системи живлення, головним чином через фільтри грубої і тонкої очистки). Фільтри грубої очистки затримують меха­нічні домішки розміром більше 50...60 мкм, тонкої – біль­ше 2...5 мкм. При порушенні їх роботи зменшується, а іно­ді зовсім припиняється циклова подача палива, падає тиск вприску палива. На характер надходження палива через систему живлення двигуна впливають його в'язкість і низькотемпературні властивості, а також забрудненість механічними домішками і водою.

Якщо паливо має високу в'язкість, його фільтрація затруднена, що може призвести до порушення подачі палива насосом. При малій в'язкості порушується дозування па­лива внаслідок, просочування його між плунжером і гіль­зою насоса високого тиску. Крім того дизельне паливо є мастильним матеріалом для прецизійних деталей системи живлення, тому мінімальна і максимальна в'язкість його регламентується.

Подача палива при низьких температурах може порушу­ватися внаслідок забивання фільтрів кристалами парафіну. Такий стан палива визначається температурою помутніння.

Температура помутніння – це температура, при охолодженні до якої паливо втрачає прозорість внаслідок виділення мікрокристалів парафіну, церезину і льоду. Для надійної подачі палива у двигун, у зимовий період, ця температура повинна бути на 3...5°С нижча тієї, при якій воно використовується.

Температура кристалізації – це температура, при якій в паливі з'являються перші кристалики, які можна побачити неозброєним оком.

Температура застигання – це температура, при якій налите у пробірку паливо, під час охолодження в певних умовах, досягає такого стану, що не змінює поло­ження меніску протягом однієї хвилини при нахиленні про­бірки на 45°, тобто паливо втрачає свою те­кучість. Застигання палива настає при зниженні температури на 5...15 °С після його помутніння. Температура застигання – це важливий показник дизельного палива, визначає можли­вість його використання при даній температурі і входить в умовне позначення зимових дизельних палив. Для надійної роботи системи живлення найнижча температура навко­лишнього середовища повинна бути на 10...15 °С вище тем­ператури застигання.

Гранична температура фільтрівності па­лива – це температура, при якій паливо, після охолодження в певних умовах, здатне ще проходити через фільтр з уста­новленою швидкістю.

Дослідження показують, що гранична температура філь­трівності дизельних палив, як правило, буває нижче темпе­ратури помутніння, але вище температури застигання. Од­нак положення її в цьому інтервалі температур, може бути різним: або ближче до температури помутніння, або – до температури застигання.

У виробничих умовах температуру застигання і помут­ніння понижують, розбавляючи літнє дизельне паливо реак­тивним паливом або бензином, в яких температура початку кристалізації не вище мінус 60°С. При цьому слід пам'я­тати, що при розбавленні дизельних палив низькокиплячими компонентами температури застигання і помутніння су­міші завжди відхиляються у бік високозастигаючого дизель­ного палива, внаслідок чого доводиться використовувати значну кількість розчинника.

Досвід застосування дизельного палива в сільському господарстві показує, що при недотриманні правил їх транс­портування, зберігання, заправки, в паливо потрапляють вода і механічні домішки, які не тільки різко підвищують спрацювання паливної апаратури і двигуна, але можуть ви­кликати і відкази їх роботи. Забруднення дизельного пали­ва значно зростає при роботі тракторів і автомобілів у за­пилених умовах.

При наявності пилу в повітрі 1 ...2,5 г/м3 забрудненість палива в 2...3 рази збільшується ніж у момент заправ­ки. Цьому сприяє і те, що забруднення, в наслідок біль­шої в'язкості дизельного палива, осідають на дно баків і ємкостей значно повільніше ніж а бензині. Тому рекомен­дується перед заправкою дизельне паливо відстоювати протягом 10 днів і застосо­вувати плаваючий паливо-приймач.

Найбільш надійним способом очист­ки дизельного палива є фільтрація, тому паливоподавальна система дизельних дви­гунів включає фільтри грубої і тонкої очистки, призначення яких – максималь­но захистити елементи системи живлення і двигун в цілому від механічних домішок, які за тих чи інших умов потрапили в паливо. З урахуванням важливого значення фільтрації для забезпечення чистоти палива, в стандарти на палива для швидкохідних автотракторних ди­зельних двигунів уведено новий показник якості – коефі­цієнт фільтрівності.

Суть методу визначення цього показ­ника в пропусканні 10 порцій палива, по 2 мл кож­на, через фільтрувальний папір. Коефіцієнт фільтрівності – це відношення часу фільтрації останньої порції палива до часу фільтрації першої. У товарних дизельних палив, як правило, коефіцієнт фільтрівності менше трьох, що відпо­відає вимогам стандарту.

На процес сумішоутворення дизельного палива впли­вають конструктивні особливості двигуна і властивості па­лива.

Сучасні автотракторні двигуни мають нерозділену або розділену камеру згоряння (вихрову камеру). Форма ка­мер згоряння, число форсунок, форма і розмір соплових от­ворів, тиск і напрям впорскування палива – всі ці конст­руктивні фактори вибирають оптимальними, щоб забезпе­чити належне сумішоутворення. Процес сумішоутворен­ня в дизельному двигуні залежить від таких фізико-хімічних властивостей палива:

· в'язкість,

· густина,

· фра­кційний склад,

· тиск насиченої пари,

· поверхневий натяг

· тощо.

Збільшення в'язкості палива веде до збільшення крапель у факелі, що значно погіршує розпилювання і випаровуван­ня палива. Паливо з великою в'язкістю догоряє в кінці так ту розширення, знижуючи економічність і підвищуючії димність відпрацьованих газів.

Паливо з малою в'язкістю також погір­шує процес сумішоутворення. При його розпилюванні ут­ворюються дрібні краплі, швидкість яких у щільному по­вітрі швидко падає, утворюючи укорочений факел. Внаслі­док цього не весь об'єм камери згоряння використовується для приготування однорідної суміші і не все повітря бере участь у сумішоутворенні, що призводить до надлишку па­лива і неповного його згоряння.

З підвищенням гус­тини збільшується довжина факела, знижується економіч­ність і зростає димність відпрацьованих газів.

Важливою характеристикою для розпилювання палива є поверхневий натяг – розмір крапель прямопропорційний величині поверхневого натягу. З обважненням фракційного складу палива, підвищенням його густини поверхневий на­тяг збільшується. Для дизельних палив швидкохідних двигунів поверхневий натяг знаходиться у межах 0,027...0,030 Н/м, для палива тихохідних двигунів – біль­ше 0,030 Н/м.

Палива з підвищеною температурою кінця кипіння на­зивають обважненими (ОФС). Лабораторні дослідження і випробування показують, що можна збільшити ресурси дизельного палива на 3...4 % за рахунок більш глибокого відбору з нафти прямогонних фракцій з температурою ви­кипання на 25...30°С вище температури википання стан­дартного дизельного палива.

Полегшення фракційного складу за рахунок введення бензинових фракцій покращує експлуатаційні властивості обважених палив. Таким чином при значній дпзелізації ав­томобільного парку перспективним буде використання єди­ного дизельного палива з температурою початку кипіння 66...80 °С і температурою перегонки 90 % – 360 °С, яке на­зивають – дизельне паливо широкого фракційного складу (ШФС).

 

4.3 ЗАЙМАННЯ ТА ЗГОРЯННЯ ДИЗЕЛЬНОГО ПАЛИВА

 

Процес згоряння палива в дизельному двигуні можна розділити на 4 фази:

· період затримки займання;

· період швидкого горіння;

· період уповільненого горіння;

· період до­горяння.

Період затримки займання – проміжок часу від початку впорскування (точка 1, рис. 4.1) до моменту зай­мання палива (точка 2). Паливо, що впорскується в ци­ліндр до приходу поршня в ВМТ (з випередженням) зай­мається не миттєво, а з деяким запізненням.

 

Рис.4.1. Індикаторна діаграма роботи дизельного двигуна

І – м’яка робота; ІІ – жорстка робота

У цей період відбувається процес сумішоутворення та нагрівання пали­ва. Одночасно з фізичною підготовкою палива відбувають­ся реакції передполуменевого окислення. Період затримки займання (точка 2) завершує­ться займанням робочої сумі­ші, в одному або кількох міс­цях, де були найсприятливіші умови для проходження передполуменевих реакцій. Теплота, що виділяється при утворенні перших осередків самозаймання прискорює процес займання палива, яке надходить у циліндр у період затримки займання, внаслідок чого почи­нається бурхливе горіння, тобто фаза швидкого горіння. Ця фаза (точки 2, 3) характеризуються різким зростанням температури і тиску.

Інтенсивність наростання тиску залежить від кількості палива, що надходить у циліндр за період затримки само­займання. Чим триваліший цей період, тим більше, за ін­ших рівних умов, надійде палива в циліндр. Виділення теп­лоти і відповідно наростання тиску в циліндрі відбувається різко, тому робота двигуна буде супроводжуватися стука­ми і її називають «жорсткою». Жорстка робота дизельного двигуна так само небажана, як детонація в карбюраторних двигунах.

Режим роботи двигуна оцінюється зростанням тиску в камері згоряння на 1° повороту колінчастого вала. Якщо тиск зростає на 0,25...0,60 МПа – двигун працює м'яко, при 0,6...0,8 МПа – жорстко, а вище 0,9 МПа – дуже жорстко.

У кінці бурхливого горіння (точка 3, в якій досягається максимальний тиск) наростання тиску припиняється, швид­кість згоряння знижується. Після точки 3 починається пе­ріод уповільненого згоряння, закінчується подача палива, але процес згоряння продовжується. Характерним для нього є зниження тиску в циліндрі, внаслідок збільшен­ня об'єму камери згоряння, так як поршень рухається до НМТ. Кінцем періоду уповільненого згоряння умовно прий­мають точку 4, коли досягається максимальна температура газів у камері згоряння. Після цього відбувається догорян­ня залишків незгорілого палива і продуктів неповного зго­ряння (точки 4...5). Тривалість цього періоду впливає на температуру і димність вихлопу та залежить від фракцій­ного складу палива і наявності в ньому смолистих речовин. Тривалість четвертої фази повинна бути найкоротшою.

Таким чином для нормальної роботи двигуна необхідно, щоб паливо самозаймалось у чітко визначений момент і по­тім енергійно згоряло, викликаючи інтенсивне, але достат­ньо плавне зростання тиску, не перевищуючи 0,4...0,6 МПа на один градус повороту колінчастого вала. У цьому випад­ку буде, так звана, «м'яка» робота двигуна, при якій розвивається максимальна потужність і забезпечується необ­хідна паливна економічність.

Якщо самозаймання запізнюється, то це призводить до жорсткої роботи двигуна, що нагадує детонацію в карбю­раторному двигуні, але природа цих явищ зовсім проти­лежна, так як більшість факторів, що визивають жорстку роботу дизельного двигуна, сприяють усуненню детонації в карбюраторному.

Показник, що характеризує самозаймистість дизельного палива, називають цетановим числом, яке визначається ме­тодом порівняння займистості палива із займистістю сумі­ші двох вуглеводнів. Суміш складається з цетану – період затримки самозаймання якого малий і його цетанове число (ЦЧ) приймають за 100 та альфаметилнафталіну період затримки самозаймання якого великий, цетанове число до­рівнює 0.

Цетанове число дорівнює процентному вмісту (за об'є­мом) цетану в такій суміші з альфаметплнафталіном, що рівноцінна даному паливу за самозаймистістю при випро­буванні в стандартних умовах. Цетанове число дизельних палив залежить від їх вугле­водневого складу, структури і молекулярної маси.

Знаючи груповий вуглеводневий склад палива визна­чають цетанове число за формулою:

 

ЦЧ = 0,85П + 0,1Н + 0,2А (4.1)

 

де П. Н. А. – вміст у паливі відповідно парафінових, нафтенових і ароматичних вуглеводнів, у процентах за масою.

Цетанове число можна обчислити і знаючи густину та кінематичну в'язкість:

 

ЦЧ = (ν20 + 17,8)·1,5879/ (4.2)

 

За цими формулами можна лише приблизно знайти це­танове число. Вони не придатні при визначенні цетанових чисел для палив з присадками, які підвищують цетанове число, а також для палив, у склад яких входять бензинові фракції.

Враховуючи, що вуглеводні з високими цетановими чис­лами мають низьку детонаційну стійкість, тобто низьке ок­танове число, виведено емпіричну між ними залежність:

 

ЦЧ = 60 – ОЧ/2. (4.3)

 

За кордоном для характеристики самозаймання дизель­ного палива, поряд з цетановим числом, використовують по­казник – дизельний індекс (ДІ). Між дизельним індексом і цетановим числом палива існує така залежність:

 

ДІ 20 30 40 50 62 70 80
ЦЧ 30 35 40 45 55 60 80

 

Цей показник нормується і у вітчизняній технічній до­кументації на дизельне паливо, яке поставляється на експорт.

Оптимальне значення цетанового числа 40...50. Викорис­тання палива з цетановим числом менше 40 призводить до жорсткої роботи двигуна, а більше 50 – до збільшення пи­томої витрати палива за рахунок зменшення повноти зго­ряння. Влітку можна успішно застосовувати палива з це­тановим числом 40, а взимку, для забезпечення пуску холодного двигуна, цетанове число повинно бути не мен­ше 45.

Цетанові числа можуть бути підвищені двома способа­ми:

· регулюванням вуглеводневого складу;

· введенням спеціальних присадок.

Перший спосіб заснований на тому, що різні групи вуглеводнів мають різну самозаймистість. Та­ким чином цетанове число палив можна суттєво підвищити, збільшуючи концентрацію нормальних парафінів і знижую­чи вміст ароматиків. Але із-за підвищеної температури плавлення нормальних парафінів, у порівнянні з іншими групами вуглеводнів, їх значний вміст у зимових марках ди­зельних палив недопустимий.

Другий спосіб забезпечує найбільше підвищення цетано­вого числа. Механізм дії присадок оснований на їх здат­ності порівняно легко виділяти з свого складу кисень.. Як сильні окислювачі вони прискорюють початкові передполуменеві реакції, сприяють розгалуженню окислювальних ланцюгів і утворенню нових активних центрів реакції.

 

4.4. СТАБІЛЬНІСТЬ І СХИЛЬНІСТЬ ДО УТВОРЕННЯ ВІДКЛАДЕНЬ

 

Сучасні товарні дизельні палива – це середньодистилятні нафтові фракції з високою фізичною стабільністю. Температура початку кипіння дизельних палив знаходиться у межах 180...220°С і тиск насиченої пари при звичайних умовах не перевищує 1 кПа. Тому втрати дизельних палив від випаровування під час зберігання невеликі і складають 1,5 кг у рік з 1 м3 пароповітряного простору.

Хімічна стабільністьдизельних палив, одержаних з малосірчистої нафти, досить висока. Навіть після зберігання протягом п'яти і більше років вони практично не змінюють своїх показників якості, в той час як дизельні палива, що містять значну кількість ненасичених вуглеводнів і меркап­танів, суттєво змінююють свої властивості за тих же умов.

Утворення нагаруісмолистих відкладень залежить не тільки від конструктивних факторів, технічного стану і ре­жиму роботи двигуна, але і від якості дизельного палива. На утворення відкладень впливають такі фізико-хімічні властивості палива як фракційний склад, в'язкість, наяв­ність сірчистих сполук, смолистих речовин (фактичних смол), ненасичених вуглеводнів тощо.

Для дизельних палив, що містять продукти крекінгу нормується йодне число. Це пов'язано з тим, що в продук­тах каталітичного крекінгу, які додають в дизельні палива з метою збільшення їх виробництва, можуть бути малоста-більні ненасичені вуглеводні. Йодне число відповідає кіль­кості йоду в грамах, який здатний приєднатись до ненаси­чених вуглеводнів, що знаходяться в 100 г нафтопродукту. При визначенні створюються такі умови, коли йод може реагувати з ненасиченими вуглеводнями, які мають подвій­ний зв'язок (олефінами). Тому цей показник характеризує одну з сторін хімічної стабільності. Йодне число не повин­но перевищувати 6 г йоду на 100 г палива.

Схильність дизельного палива до нагароутворення за­лежить також від його коксівності і зольності.

Коксівність – це здатність палива утворювати в умовах нагрівання (800...900 °С) без доступу повітря залишок у ви­гляді вугілля (коксу). Для дизельних палив коксівність залежить від їх фракційного складу, вмісту смолистих і не­стабільних сполук. Коксівність (коксове число) визначають або для палива в цілому, або для 10%-го залишку після пе­регонки. Коксівність 10%-го залишку повинна бути не біль­ше 0,5%.

Зольність палива характеризує вміст у ньому мінераль­ного залишку після згоряння. Зола не тільки приймає участь при утворенні нагару, але і підвищує спрацювання дета­лей двигуна. Допустимий вміст золи в дизельних паливах 0,01...0,02 %.

Схильність палив до лакоутворення оцінюють за вмістом лаку в міліграмах на 10 мл палива, випаровуючи невелику кількість палива у спеціальному лакоутворювачі при тем­пературі 250 °С.

 

4.5. КОРОЗІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ

 

Причини корозійності дизельних палив ті ж, що і у бен­зинів: наявність водорозчинних кислот і лугів, органічних кислот і сірчистих сполук. Присутність водорозчинних кис­лот і лугів у паливі виявляють за реакцією водної витяж­ки і наявність їх за стандартами не допускається. Вміст ор­ганічних кислот обмежується показником – кислотність. Кислотність дизельних палив не повинна перевищувати 5 мг КОН/100 мл.

Вирішальний вплив на корозійну агресивність дизель­них палив має вміст і характер сірчистих сполук.

Активних сірчистих сполук (сірководню, елементної і меркаптанової сірки) при випуску палива із заводу повин­но бути так мало, щоб корозійні випробування – проба на мідну пластинку – воно витримувало.

Корозійні властивості дизельних палив обумовлені не стільки загальним вмістом сірки в паливі, скільки вмістом меркаптанів.

Загальна кількість сірки, яка міститься в дизельному паливі, суттєво впливає на роботоздатність дизельного дви­гуна. Узагальнюючи експериментальні дослідження, мож­на стверджувати, що при зростанні сірки з 0,2 до 0,5 %, а при використанні сірчистих палив (до 1,0 %) знос прис­корюється майже вдвоє.

 

4.6. АСОРТИМЕНТ ПАЛИВ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ І ОБЛАСТЬ ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

 

Відповідно до ГОСТ 305—82 для швидкохідних дизель­них двигунів випускають три марки дизельних палив за­лежно від сезонності або географічних областей викорис­тання: Л — літнє, З — зимове і А — арктичне. Крім того для кожної марки окремо обумовлена кліматична зона — помірна або холодна, а також види палива: І — масова частка сірки не більше 0,2%, II—масова частка сірки не більше 0,5 %.

Кліматична зона використання дає можливість розділи­ти паливо однієї і тієї ж марки за температурою помутніння і застигання, вид палива — за максимально допустимим вмістом сірки. Палива для помірної кліматичної зони ма­ють більш високу температуру помутніння і застигання, ніж для холодної.

Паливо Л використовують влітку в помірній і холодній кліматичних зонах за умови, що температура навколиш­нього повітря навіть тимчасово не знижується нижче 0°С.

Паливо З призначене для двох кліматичних зон: для помірної з температурою повітря не нижче мінус 20 °С (температура застигання не вище мінус 35 °С) і для холод­ної — з температурою повітря не нижче мінус 30 °С (тем­пература застигання не вище мінус 45 °С).

Паливо А застосовують при температурі навколишньо­го середовища мінус 50 °С і вище (температура застигання не вище мінус 55 °С). Температура помутніння для нього не нормується, тому що припускається, що це паливо під­дається глибокій депарафінізації.

Палива за ГОСТ 305—82 одержують компаундуванням (змішуванням) фракцій прямої перегонки і гідроочистки у співвідношеннях, які забезпечують вимоги стандарту за вмістом сірки. Сировиною для гідроочистки є суміш середньодистилятних фракцій прямої перегонки і легкого газойлю каталітичного крекінгу.

Відповідно до стандарту, в умовному позначенні літньо­го палива вказують граничний вміст сірки і температура спалаху, що допустимі для даного палива.

Норма сірки вказує на вид палива, а температура спа­лаху на область використання, так як для палив, що вико­ристовуються для тепловозних і суднових двигунів, а також для газових турбін, температура спалаху (закритий спосіб) повинна бути на 21 °С вище, ніж для двигунів загального призначення.

При позначенні зимових палив замість температури спалаху вказують температуру застигання.

При позначенні арктичних палив вказується тільки граничний вміст сірки.

Якщо будь-які з вказаних марок палив вищої якості, то незалежно від виду палива вміст у ньому сірки не повинен перевищувати 0,2%, фактичних смол — 25 мг на 100 см3 і золи — 0,008 %.

Дизельне паливо експортне (ТУ 38 001162-85) виготов­ляють для поставок на експорт з вмістом сірки до 0,02 %, для чого дизельні фракції прямої перегонки піддають гідроочистці. Для оцінки його якості, за вимогою споживачів, визначають дизельний індекс, а не цетанове число. Крім того, замість визначення вмісту води і коефіцієнта фільтрівності експрес-методом визначають прозорість палива при температурі 10 °С. Випускають марок ДЛЕ і ДЗЕ.

Для середньо- і тихохідних дизельних двигунів, з час­тотою обертання до 1000 хв-1 (ГОСТ 1617—68) виробля­ють паливо марок ДТ і ДМ вищої якості та ДТ. Вони від­різняються в'язкістю, коксівністю і температурою застига­ння.

Паливо цих марок — суміш дистилятів з залишковими продуктами (мазутом) прямої перегонки або крекінгу. Дви­гуни, в яких використовують таке паливо, експлуатують в основному на стаціонарних і напівстаціонарних установ­ках.

Паливо ДТ призначено для дизелів, не обладнаних сис­темою підготовки палива, а паливо ДМ (мазут) — для суд­нових тихохідних дизелів, обладнаних системою поперед­ньої підготовки палива (нагрівання до температури 60... 70 °С, відстоювання, фільтрування).

 

5. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ВИКОРИСТАННЯ ГАЗОПОДІБНИХ ПАЛИВ

 

5.1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ І КЛАСИФІКАЦІЯ

 

Газоподібне паливо – це суміш різних газів (горючих і негорючих). Основними горючими компонентами є водень, оксид вуглецю, метан та газоподібні вуглеводні: етан, про­пан, бутан, іноді сірководень. Негорючі компоненти – вуг­лекислий газ, азот, кисень.

Порівняно з іншими видами газоподібне паливо має та­кі переваги:

· дешеве і після вугілля найпоширеніше, з великими за­пасами; згоряє в майже теоретичній кількості повітря, що забезпечує високі коефіцієнт корисної дії і температуру згоряння;

· при згорянні не утворює небажаних продуктів (сірчис­тих сполук, кіптяви і диму);

· легко запалюється при будь-якій температурі навколиш­нього повітря;

· може бути використане в стиснутому і зрідженому стані;

· для зберігання газу не потрібні спеціальні складські приміщення, оскільки його подають по газових магістралях.

Газоподібне паливо має й негативні властивості:

· утво­рює вибухові суміші з повітрям (природний газ, метан, во­день);

· легко витікає через нещільності;

· гази, до складу яких входить оксид вуглецю (генераторний, змішаний, світиль­ний, водяний, коксовий) дуже отруйні.

Як і інші види палива, газоподібне поділяють на:

· при­родне – використовується в тому вигляді, в якому воно знаходиться в надрах землі (природний газ газових родовищ і супутний);

· штучне – гази, які одержують як побічний продукт при переробці нафти і твердого палива або спеціально за допомогою газогенераторів (доменний, коксовий, генераторний).

Залежно від фізичних властивостей гази можуть бути:

· зріджені – гази з відносно високою критичною температурою, при підвищенні тиску до 1,0... 1,5 МПа переходять у рідкий стан, в основному це пропан-бутанові вуглеводні;

· стиснуті – гази з низькою критич­ною температурою, які залишаються в газоподібному ста­ні при нормальній температурі навіть при дуже високому тиску (до 20 МПа), до них належать метан, оксид вуглецю, водень, етилен.

Газоподібне паливо за теплотою згоряння поділяють на три групи:

· висококалорійне, з теплотою згоряння понад 20000 кДж/м3 (природні гази газових родовищ і супутні, нафтовий газ);

· середньокалорійне, з теплотою згоряння 10000... 20000 кДж/м3 (коксовий, світильний та ін.);

· низькокалорійне, з теплотою згоряння до 10000 кДж/м3 (доменний, генераторний та ін.).

 

5.2. ХАРАКТЕРИСТИКА І АСОРТИМЕНТ ПАЛИВ

 

З усіх видів газоподібного палива найпоширеніші природні гази, які поділяють на дві групи:

· гази газових родо­вищ;

· супутні, які добуваються разом з нафтою.

Природні гази чисто газових родовищ за складом і теп­ловою цінністю відрізняються між собою незначно. Головною їх складовою є метан – СН4.

Для природного газу, який надходить по трубопроводу, нормується тільки вміст шкідливих домішок: сірководню, аміаку, смол, пилу, вологи тощо. За сортами і марками їх не поділяють. Природний газ має низьку критичну темпера­туру (мінус 161°С при атмосферному тиску і мінус 82°С при тиску 4,6 МПа). Тому навіть при високому тиску він знаходиться в газоподібному стані і його називають стис­нутим. До таких газів відносять і деякі штучні.

Супутний нафтопромисловий газ, крім метану, містить більш важкі газоподібні вуглеводні, кількість яких зале­жить від складу нафти того чи іншого родовища. В бага­тьох випадках газовий фактор (кількість газу в кубічних метрах на одну тону нафти) дуже високий (50... 100 м3). Вуглеводні з числом атомів вуглецю 1...4, які входять у склад нафти, при нормальних умовах, перебувають у га­зоподібному стані, їх уловлюють при добуванні нафти. Теп­лота згоряння супутного нафтопромислового газу вища, ніж газів газових родовищ, але його використовують головним чином як сировину для хімічної і нафтохімічної промисло­вості.

Зріджений газ широко використовують для газозабезпечення сільської місцевості і районів, що не підключені до газової мережі, а також як паливо в котельно-побутових і невеликих теплоустановках (у теплицях, на тваринниць­ких фермах тощо). Зріджений газ – це легкоконденсуючі при стиску газоподібні вуглеводні.

Основним компонентом зрідженого газу є пропан – важкий газ (густина за повітрям 1,52). Він створює опти­мальну величину тиску насиченої пари, що особливо важ­ливо для зниження маси газових балонів транспортних установок.

Етан – газ, що за густиною близький до повітря. Одер­жують його з супутних нафтових газів, входить до складу зріджених газів у незначній кількості, але підвищує загаль­ний тиск насиченої пари і тим самим забезпечує в зимовий період надлишковий тиск, який необхідний для нормальної роботи газобалонних установок.

Бутан має два ізомери, густина за повітрям 2,06..2,09. Одержують з тих же нафтопромислових газів, що і пропан. Є найбільш висококалорійним компонентом зріджених га­зів. При температурі мінус 0,5°С і нормальному атмосфер­ному тиску він переходить у рідкий стан, що не дозволяє використовувати його в зимовий період для комунально-по­бутових потреб.

Пентан – важкий газ, густина за повітрям 2,67. У біль­шості випадків знаходиться в рідкому залишку і при 20 °С не повинен перевищувати 1...2 % об'єму зрідженого газу, тому що він різко знижує пружність парів і підвищує точ­ку роси.

Зріджені гази відповідно до ГОСТ 20448-80 випускають таких марок:

· СПБТЗ – суміш пропану і бута­ну технічних зимова;

· СПБТЛ – суміш пропану і бутану технічних літня;

· БТ – бутан технічний.

Зріджений газ надходить до споживачів у цистернах або в тонкостінних балонах під тиском 1,6 МПа.

Штучне газоподібне паливо можна одержати шляхом газифікації твердого палива або його сухою перегонкою (суть процесів розглядається у відповідних розділах і гла­вах). За допомогою газифікації твердих палив одержують: генераторний газ, змішаний, водяний та ін.; при сухій пере­гонці: напівкоксовий, коксовий, світильний та ін.

Генераторний газ отримують шляхом газифікації твер­дих палив у газогенераторах.

Змішаний генераторний газ одержують при подачі до газогенератора змішаного пароповітряного дуття. Водяна пара розкладається і збагачує горючу частину газу воднем. Порівняно з генераторним газом, змішаний містить більше водню, метану і менше азоту. У зв'язку з цим теплота зго­ряння його буде вищою, ніж генераторного.

Водяний газ одержують, пропускаючії водяну пару че­рез розжарений шар палива. Склад водяного газу залежить від палива, яке газифікується. Теплота згоряння 10420 кДж/м3. Кращим паливом для одержання водяного газу є кокс і антрацит. При згорянні водяного газу утворю­ється висока температура (до 2800 °С), завдяки чому його застосовують для зварювання і різання металів, синтезу­вання штучного рідкого палива, а також добування водню для гідрогенізаційних процесів.

Коксовий газ. Головною складовою частиною коксово­го газу є водень (біля 50%), вміст якого збільшується з підвищенням температури коксування, і метан (бі­ля 25 %). Теплота згоряння коксового газу 15500... 21600 кДж/м3.

Напівкоксовий газ відрізняється від коксового більшим вмістом вуглеводнів і меншим вмістом водню. Основною горючою частиною иапівкоксового газу є метан (40...50 %). Теплота згоряння цього газу залежить від вихідного пали­ва і середнє значення приблизно дорівнює 24000 кДж/м3.

Світильний газодержують під час сухої перегонки твер­дих видів палива при більш високих температурах (1000... 1200 °С), ніж при коксуванні вугілля, за тепловою цінніс­тю приблизно дорівнює коксовому газу, теплота його зго­ряння І 8400...23100 кДж/м3.

Доменний (колосниковий газ) виділяється під час плав­ки руди в доменних печах. За складом він наближається до генераторного газу і відноситься до низькокалорійних з теплотою згоряння 3800...5300 кДж/м3.

Нафтовий газ одержують шляхом перегонки важких залишків нафтопереробних або смолопереробних заводів. Із газів сухої перегонки нафтовий газ має найбільшу теп­лоту згоряння 35700 кДж/м3, використовують його в основ­ному для спалювання у газових двигунах, газового зварю­вання тощо.

 

5.3. ЗАСТОСУВАННЯ ГАЗОПОДІБНОГО ПАЛИВА В ДВЗ

 

Використання газоподіб­ного палива для ДВЗ, крім загальних переваг, має свої специфічні:

· знижується токсичність відпрацьованих газів, що при сучасній концентрації автомібілів суттєво оздоровить повіт­ряний басейн, особливо у великих містах;

· збільшується в середньому на 35...40 % моторесурс дви­гуна і в 2...З рази строк роботи моторного масла, оскільки газоповітряна суміш не змиває масляної плівки з дзеркала циліндра і не розріджує масло в картері двигуна;

· висока детонаційна стійкість газоподібного палива доз­воляє підвищити ступінь стиску двигуна, а відповідно його потужність (до 15%) і паливну економічність (до 12 %);

· поліпшується розподіл пальної суміші між циліндрами.

Проте ці переваги не завжди повністю реалізуються вна­слідок зменшення наповнення циліндрів, оскільки для ро­боти на газ переводять карбюраторні двигуни, рідше ди­зелі, а не використовують спеціальні газові двигуни. Крім того переведення двигунів на газоподібне паливо пов'яза­но з рядом додаткових витрат:

· ціна автомобіля зростає на 21...27 % із-за наявності до­даткової газової апаратури;

· металомісткість газобалонних автомібілів збільшуєть­ся на 65...160 кг, а при використанні стиснутого газу — на 400...950 кг, залежно від кількості і маси балонів високого-тиску, що призводить до зниження вантажопід'ємності на 14...18 %;

· трудомісткість технічного обслуговування і ремонту га­зобалонних автомібілів при використанні зрідженого газу збільшується на 3...5 %, а при використанні стиснутого — на 12... 15 %;

· при використанні стиснутого газу пробіг автомобіля на одній заправці скорочується до 200...250 км (замість 400.., 450 км у бензинових двигунів).

Використання газоподібного палива в дизельних і кар­бюраторних двигунах має свої специфічні особливості. Для переведення дизелів па газоподібне паливо замість дизельної паливної апаратури установлюють систему за­палювання, в отвори для форсунок – свічки, на впускному трубопроводі монтують змішувач з дросельним патрубком, між блоком і головкою циліндрів ставлять прокладку для зменшення ступеня тиску.

При переведенні карбюраторних двигунів на газоподіб­не паливо також створюють газову модифікацію стандарт­ного карбюраторного двигуна, обладнують його газобалон­ною установкою і карбюратором-змішувачем. У такому ви­падку зберігається можливість роботи двигуна і на бензині, і на газі. Причому на бензині двигун розвиває номінальну потужність, а на газовому паливі потужність двигуна змен­шується (на 7...11 % при використанні зрідженого газу і на 16...20 % – стиснутого) внаслідок зменшення наповнення циліндрів газоповітряною сумішшю, а також меншою її теплотою згоряння.

Спеціальний газовий двигун, що розвиває номінальну потужність тільки па газоподібному паливі, має кращі техніко-економічні показники, яких досягають підвищенням ступеня стиску і встановленням газового змішувача. Та­кий двигун обладнують резервною системою живлення, при роботі якої двигун розвиває не більше 40...50 % номіналь­ної потужності.

Останнім часом багато уваги приділяється використан­ню двигунів, що одночасно працюють на двох видах пали­ва: газовому і рідкому, а саме бензогазових двигунів. Вони працюють на бензогазоповітряній суміші, що займається від електричної іскри.

При використанні газоподібного палива систему жив­лення двигуна, незалежно від її типу, обладнують газоба­лонною установкою. За видом газоподібного палива для ДВЗ газобалонні установки поділяють на три типи: для стиснутого природного газу, зрідженого природного газу (рідкого метану) і зрідженого пропан-бутанового газу. Всі газобалонні установки складаються з балонів для зберіган­ня і транспортування газу, газоподавальної і змішувальної апаратури, контрольних приладів.

Стиснутий газ зберігають у товстостінному балоні міст­кістю 50 дм3 (за водою), в якому під тиском 20 МПа може бути накачано 10 м3 газу, що знаходиться під атмосфер­ним тиском. На автомобілі, залежно від вантажопід'ємності, їх встановлюють до 8, що достатньо для руху на 200... 250 км.

На газонаповнювальних станціях гази очищають, осу­шують, стискують до робочого тиску 20 МПа, а потім на­повнюють балони автомобілів. Розроблені техніч­ні умови «Газ горючий природний стиснутий, паливо для газобалонних автомобілів» ТУ 51-166-84 згідно з якими введено дві марки газу — А і Б. Вони різняться вмістом ме­тану А — 95±5, Б — 90±5 % і азоту А — 0...4, Б — 4...7 %. Інші компоненти складають не більше: етан — 4%, про­пан — 1,5 %, бутан — 1,0 %, пентан — 0,3 %, дноксид вуг­лецю — 1,0 %, кисень — 1,0 %. Теплота згоряння відповідно 33896 і 33657 кДж/м3.

Зріджений природний газ. Основними компонентами цього виду палива є метан (96...97 %) і азот (3...4 %). Йо­го застосування як моторного палива дає можливість ви­користати великий енергетичний потенціал газових родо­вищ. Разом з тим зрідження метану, який має температуру кипіння нижче мінус 160 °С, пов'язане з відповідними труд­нощами, крім того для його зберігання і транспортування необхідна спеціальна термостатична тара з вакуумом або іншою надійною термоізоляцією. Викликає затруднення заправка рідким метаном: при зрідженні різко збільшуєть­ся його вартість. Крім того втрати метану від випаровуван­ня, навіть в умовах вакуумної ізоляції, складають 7...8 % на добу, причому це не тільки втрати палива, але і різке збільшення ризику пожежі і вибуху. В той же час об'єм рідкого метану майже в 3 рази менший, ніж об'єм стисну­того при 20 МПа газу, а маса термостатичних балонів у 8 разів менша маси балонів стиснутого газу. Номінальний тиск в кріогенному балоні, залежно від конструкції, стано­вить 0,07...0,7 МПа.

Зріджене газоподібне паливо – це пропан-бутанові фракції газів, які мають теплоту згоряння біля 46000 кДж/кг, октанове число 85...100 (за моторним мето­дом).

Зріджені гази можна транспортувати в звичайних за­лізничних і автомобільних цистернах. Для заправки ними автомобілів використовують прості і дешеві газонаповню­вальні і пересувні установки.

Зріджений пропан-бутановий газ має максимальний тиск 1,6 МПа, для його зберігання і транспортування на борту автомобіля використовують балони місткістю до 250 дм3. Балони заповнюють зрідженим газом не більше 90 % об'єму (враховується можливе теплове розширення газу). Решту (10%) займає газоподібна фаза, яка вико­ристовується для пуску холодного двигуна.

 

5.4. ЗАКОРДОННІ КЛАСИФІКАЦІЇ ГАЗОПОДІБНИХ ПАЛИВ

 

Масштаби використання газоподібного палива, як пали­ва для ДВЗ, у закордонних країнах залежать від співвід­ношення цін на рідке і газоподібне паливо, а також від ви­мог максимального використання власних резервів і зве­дення до мінімуму залежності від кон'юнктури ринку на нафтопродукти.

Найбільшого поширення стиснутий і зріджений гази як паливо для ДВЗ, одержали в Японії, США, Новій Зелан­дії і Канаді, а в європейських країнах – в Італії, Німеччи­ні, Франції, Бельгії, та Англії.

У США в 1990 р. використання зрідженого газу, як па­лива для ДВЗ, досягло більше 4 млн т, на ньому працює приблизно 500 тис. автомобілів. Прийнята програма пере­обладнання автомобілів на стиснутий природний газ. На газ переведені в основному автомобілі сфери обслуговуван­ня, в тому числі вантажні і легкові автомобілі, таксі. Всі автомобілі виготовлено за універсальною схемою живлен­ня. При використанні стиснутого газу вартість експлуата­ції зменшується в 1,6 рази у порівнянні з використанням рідкого палива, збільшується строк служби двигуна до ка­пітального ремонту (з 95 до 130 тис. км), вартість установки обладнання окупиться за 2...5 років. Ціна 1 м3 стис­нутого газу в 2,8 рази менша ціни 1 л бензину. Для інших країн різниця в цінах на бензин і газоподібне паливо скла­дає: в Німеччині 25 %, в Австралії – 34 %, в Італії – 38 % і в Нідерландах – 56 %.

Провідне місце в області застосування газоподібного палива займає Італія. В цій країні переведення автомобілів на газоподібне паливо почалось ще в тридцяті роки. В да­ний час в Італії на газобалонні автомобілі в структурі пар­ку припадає 4,6 %, у тому числі 1,6 % на автомобілі, що працюють на стиснутому природному газі. Загальне спо­живання газоподібного палива на автомобільному транс­порті Італії складає 3 % (у тому числі 1,2 % стиснутого) від загальної кількості газу, що витрачається галузями на­ціональної економіки.

У Канаді вартість 1 м3 стиснутого природного газу ниж­че вартості 1 л бензину в 2 рази. В цій країні існують й ін­ші стимули (налогові пільги, державна дотація в розмірі 400 доларів на автомобіль при переведенні його на природ­ний газ), що робить економічно вигідним використання газоподібного палива. В результаті цього строк окуп­ності газобалонного обладнання становить біля 1 року року.

У Німеччині значне поширення газоподібне паливо одержало у 80-ті роки. Перевагу в цій країні надають зрі­дженому газу. Автомобільний транспорт у 1990 р. витратив біля 50 млн т зрідженого газу і споживання його зростає.

Інтерес становить досвід експлуатації газобалонних ав­томобілів в Японії, яка не має власних сировинних ресур­сів для виробництва зрідженого газу, але досягла помітних успіхів в області ефективного його використання. В Японії таксомоторний парк (більше 300 тис. автомобілів) працює на зрідженому газі. Діє державний стандарт, який регла­ментує склад та інші параметри газу при його використанні в літній і зимовий періоди:

В інших країнах використовують зріджений газ різного складу, включаючи чистий пропан (США) і бутан (Швеція). Склад і теплотехнічні властивості, як правило, достатньо жорстко регламентуються. Відхилення від номінального складу обмежується межами А і В, які гарантують зміну теплоти згоряння і випаровування, що забезпечує економіч­ну і надійну роботу двигунів при будь-яких погодних умо­вах.

Більш детальну інформацію по газоподібним палива можна знайти в додатку 3.


ЛАБОРАТОРНІ ЗАНЯТТЯ

 

Лабораторна робота №1

ОЦІНКА ЯКОСТІ НАФТОПРОДУКТІВ НАЙПРОСТІШИМИ МЕТОДАМИ

 

Мета і задачі. Ознайомитися з найпростішими методами визначення наявності води, механічних домішок, фактичних смол і неграничних вуглеводнів у нафтопродуктах і оцінка в'язкості мастил .

Ознайомитися з устаткуванням і матеріалами, використовуваними при проведенні даної лабораторний pо6oти.

Уміти визначити якість нафтопродукту найпростішими методами.

Навчитися порівнювати результати випробувань з вимогами ДСТУ і давати висновки про можливість використання нафтопродуктів в об'єктах сільськогосподарської техніки.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 61; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!