§ 2.2. Состав нефтяных топлив

Свойства топлив в определяющей степени зависят oт фракционного, элементного и группового составов входящих в них углеводородов, а также наличия и в топливах некоторых примесей.

Элементный состав топлива определяется видом и количеством входящих в него химических элементов. Для нефтяных топлив он в основном характеризуется элементным составом исходного сырья — нефти. От элементного состава зависят энергетические свойства топлива, которые оценивают его теплотой сгорания. Теплота сгорания водорода равна 120 МДж/кг, углерода — 33 МДж/кг. Отсюда, чем больше относительная масса водорода, содержащегося в топливе, тем выше его массовая теплота сгорания. Соответственно алканы (С_nН_2n+2) имеют большую теплоту сгорания (44 МДж/кг), чем нафтеновые (С_nН_2n) углеводороды (41 МДж/кг), а метан (СН₄), содержащий наибольшую относительную массу водорода, обладает соответственно наибольшей теплотой сгорания (49 МДж/кг) среди всех углеводородных топлив.

Фракционный состав (ФС) топлива характеризуется количеством (в процентах по объему) содержащихся в нем отдельных фракций. ФС определяют путем перегонки топлива в специальном приборе (рис. 2.1). При перегонке фиксируют температуры начала кипения, пере гонки 10, 50 и 90 или 96 % (об.) топлива, а также конца кипения. Соответствующие температуры обозначают индексами , , , , и .

За температуру принимают температуру пара, соответствующую падению в холодильник первой капли конденсата. За температуру бензина принимают ту максимальную температуру, при которой ртутный столбик термометра останавливается на некоторой высоте, а после этого начинает опускаться. За дизельных топлив принимают температуру 96 % выкипания. После конца кипения остается невыкипевший остаток — остаток в колбе. При оценке фракционного топлива по судят о присутствии наиболее легкокипящих фракций, по — об их количественном содержании, по — о средней испаряемости топлива и по (или ), а также по — о содержании высококипящих фракции. Среднеобъемная температура кипения топлива — рассчитывается по зависимости

По полученным данным строят кривую перегонки (разгонки) топлива (рис. 2.2), которая в целом может быть охарактеризована углом наклона в градусах на 1 % (об.) разгонки:

O = (t90% - t10%)/80.

При перегонке бензинов невозможно определить количество наиболее легкокипящих фракций, присутствие которых влияет на эксплуатационные свойства топлива, поэтому в нормативные требования к бензинам вводят контрольный параметр — давление насыщенных паров при температуре +38 °С. По температурам перегонки можно косвенно судить о давлении насыщенных паров — чем ниже и , тем выше давление насыщенных паров.

Групповой состав топлива определяется группами (классами) входящих в него углеводородов. В общем случае в состав топлива входят углеводороды, присутствующие в нефти (алканы, цикланы, ароматические углеводороды), могут находиться химически нестабильные непредельные углеводороды (олефины и диолефины), которые отсутствуют в природной нефти и образуются при химической переработке нефтепродуктов (например, при крекинге).

Большое влияние на качество топлива оказывают перешедшие в него из нефти некоторые гетероорганические соединения, вода и механические примеси. Вследствие относительно большой молярной массы и соответственно высоких температур кипения присутствие гетероорганических соединений характерно для дизельных топлив — это сернистые соединения, органические кислоты и смолисто-асфальтовые вещества. Влияние отдельных гетероорганических соединений изложено ниже при рассмотрении конкретных свойств топлив.

По техническим условиям наличие в топливе воды не допускается. Вода в значительной степени ухудшает ряд его эксплуатационных свойств (повышает коррозионную агрессивность и склонность к образованию отложений, ухудшает химическую стабильность, смазывающие и противоизносные свойства и пр.).

Кристаллы льда, образующиеся при замерзании воды, забивают трубопроводы и фильтры системы топливоподачи, уменьшая количество топлива, подаваемого в двигатель (рис. 2.3). Отложения кристаллов льда в жиклерах нарушают работу топливодозирующих устройств.

С некоторыми видами углеводородов, входящих в состав нефтяных топлив, вода при отрицательных температурах может образовывать ассоциированные комплексы. Объем образующейся при этом кристаллической массы увеличивается более чем в 2 раза. Вода попадает в топливо при его хранении, перевозке, заправке и эксплуатации автомобиля (отмечено, что практически полностью обезвоженное топливо при хранении быстро насыщается водой). При обычных условиях содержание воды в топливе по абсолютной величине не превышает 0,03% (маc.) при 20°С и изменяется при изменении атмосферных условий (влажности, температуры, давления).

Топливо соприкасается с водой вследствие конденсации ее паров из атмосферного воздуха на стенках топливных баков и поверхности жидкости в баке. Пары воды насыщают массу топлива вследствие диффузии. Способность вещества поглощать воду называется гигроскопичностью. С повышением температуры топлива (рис. 2.4), снижением относительной влажности воздуха и давления гигроскопичность топлива уменьшается. При изменении условий часть растворенной воды выделяется из топлива в виде эмульсии. Эмульсия может расслаиваться с образованием слоя воды в свободном состоянии. Эти три состояния (раствор, эмульсия, свободное состояние) могут переходить друг в друга при изменении метеорологических и эксплуатационных условий. Образование эмульсии облегчается, а ее устойчивость увеличивается в присутствии поверхностно-активных веществ, которые, адсорбируясь на поверхности капель, препятствуют их слиянию. В топливе такими веществами являются нафтеновые кислоты и смолистые вещества. С утяжелением фракционного состава топлива растворимость в нем воды уменьшается.

Основным источником механических примесей в топливе является атмосферная (почвенная) пыль. В зависимости от условий хранения, транспортирования и применения содержание в топливе механических примесей может достигать 400 г/т (в особо запыленных районах). Размеры частиц в основном равны 10 — 60 мкм. Частицы менее 60 мкм в топливе невооруженным глазом не различимы.

Механические примеси ухудшают прокачиваемость топлива в системе топливоподачи, служат основой для образования смолистых отложений и нагара, ведущих к нарушению нормальной работы двигателя, интенсифицируют механический износ и коррозию конструкционных материалов. Особенно большой вред наносят механические примеси системам топливоподачи дизелей, вызывая повышенный износ прецизионных пар топливного насоса и форсунок, потерю герметичности форсунок, подтекание топлива в цилиндр двигателя, засорение и эррозионный износ отверстий распылителей. В соответствии со статистическими данными от 30 до 95 % отказов дизелей в эксплуатации происходит из-за системы топливоподачи. В стандарты на дизельные топлива введен показатель, характеризующий наличие в топливе загрязнений (механических примесей, воды, натриевых мыл, нафтеновых кислот и смол) — коэффициент фильтруемости Кф. Этот коэффициент определяют по степени загрязнения (забивки) стандартного бумажного фильтра при протекании через него топлива. Большие значения Кф соответствуют наличию большего количества загрязнений.