Фізико-хімічні та експлуатаційні властивості палив для реактивних двигунів

Прийнято розрізняти такі експлуатаційні властивості реактивних палив: прокачуваність, випаровуваність, займистість, горючість, схильність до утворення відкладень, сумісність з конструкційними матеріалами, фрикційні, протизносні, захисні, охолоджуючі і токсичність. Кожна експлуатаційна властивість характеризується комплексом физико-хімічних показників якості. Цей взаємозв'язок наочно представлений у табл. 2.31.

Основні вимоги до палив для ПРД формують:

- міжнародна організація повітряного транспорту (International Air Transport Association — IATA);

- американська спілка випробувань матеріалів (American Society of Test Materials — ASTM);

- англійська специфікація (DERD);

- «контрольний перелік» («Check List»).

Найбільш поширеному паливу для ПРД присвоєно міжнародну назву Aviation turbine Fuel (AVTUR) – авіаційне газотурбінне паливо.

Широкофракційне паливо, до складу якого поряд з гасовою фракцією входить бензинова фракція, позначається AVTAG, де буква G (gasoline) вказує на наявність бензину.

Паливо більш вузького фракційного складу прийнято називати AVСAТ (від cut – різати).

У рекомендаціях IATA ці палива відповідно називають: типу гасу (kerosine type), широкого фракційного складу (wide cut) і гас з високою температурою спалаху (high flash). Зарубіжні палива крім міжнародних позначень і назв мають марки, визначені державними, відомчими та фірменними специфікаціями.

Таблица 2.

Рекомендація IATA		Марка та позначення палив за специфікацією
Позначення	Назва	ASTM, DERD, «Check List»	Військова специфікація США
AVTUR	Aviation Turbine Fuel — Kerosine Type	Jet A (AVTUR-40)	—
		Jet A-1(AVTUR-50)	JP-7, JP-8
AVTAG	Aviation Turbine Fuel — Wide Cut	Jet B	JP-4
AVCAT	Aviation Turbine Fuel —High Flash Point — Kerosine Type	AVCAT-48	JP-5

У Україні виробляється |виробляють|дві марки палива|пального| для ПРД: РТ і ТС-1. Основними виробниками палива|пального| для ПРД є|з'являються| Одеський, Кременчуцький і Лисичанський НПЗ. Вимоги, що ставляться до якості цих палив|пальних|, регламентовані галузевими стандартами ГСТУ 320.00149943.007 «Паливо для реактивних| двигунів| марки «РТ». Технічні умови|» і ГСТУ 320.00149943.011 «Паливо ТС-1 для реактивних| двигунів|. Технічні умови|».

Дизельні палива.

Ефективна питома витрата сучасного дизельного двигуна в середньому на 30% нижче, ніж бензинового. А ККД дизелів на сьогодні |нині|на 10% перевищує (45%) ККД карбюраторних двигунів (35%). Високий ступінь|міра| стискування|стиснення| (до 18) дизельного двигуна обумовлений конструкцією його паливної |системи. Крім того, дизельне паливо|пальне| має низку |лаву|переваг перед бензинами:

• використання|вживання| дизельного палива|пального| значно безпечніше у пожежному відношенні|ставленні|;

• завдяки низькій випаровуваності значно зменшуються втрати від випаровування під час транспортування, зберігання, розподілу;

• використання палива для дизельних двигунів|вживання| |пального|розглядається|розглядує| як спосіб збільшення паливних ресурсів (раціонального використання і економії вуглеводневої сировини) через залучення |вживання|важчих, ніж бензин, фракцій нафти – |типа| гасової|керосину|, газойлевої, солярової| та їх сумішей.

Залежно від фракційного складу можуть бути отримані дизельні палива з різними властивостями. Однак, можливість використання проямогінних фракцій обмежена високим вмістом в них сполук сірки (до 1,0 %).

Тому для виробництва товарних продуктів, що відповідають сучасним вимогам, використовують гідроочищенні фракції та їх суміші з продуктами вторинних процесів (легкий газойль каталітичного крекінгу).

На основі повністю гідроочищених фракцій виробляють палива з поліпшеними екологічними характеристиками.

На фракційний склад товарних дизельних палив істотний вплив здійснює:

− склад нафти, що переробляється;

− набір технологічного обладнання на підприємстві-виробнику;

− спрямованість забезпечити максимальну економічну ефективність їх виробництва.

В умовах зростаючої з середини 70-х років ХХ століття диспропорції між приростом добування нафти і збільшенням потреби у дизельному паливі в багатьох країнах були проведені роботи щодо розширення ресурсів палива дизельного за рахунок підвищення кінця кипіння на 25–30 °С, що призвело до підвищення густини до 850 кг/м³.

Використання дизельних палив важкого фракційного складу спричинила підвищення витрати палива на 1,5–2,0 % й підвищення димності на 10–15 %.

Залежно від умов застосування встановлені наступні марки дизельних палив:

− Л (літнє) – рекомендується для експлуатації за температури навколишнього середовища 0 ºС і вище;

− З (зимове) – рекомендується для експлуатації за температури навколишнього середовища мінус 20 ºС і вище (температура застигання не вище мінус 35 ºС) і температури навколишнього середовища мінус 30 ºС і вище (температура застигання палива вище мінус 45 ºС).

− А (арктичне) – рекомендується для експлуатації за температури навколишнього середовища мінус 50 ºС і вище.

За вмістом сірки дизельні палива поділяються на два види:

I – масова частка сірки не більше 0,2 %;

II – масова частка сірки не більше 0,5 % (для марки А не більше 0,4 %).

Хімічний склад дизельних палив. Дизельні палива складаються більш ніж на 90 % з вуглеводнів – алканових, цикланових, ароматичних та ненасичених.

Найбільш бажаним компонентом дизельних палив з точки зору самозаймистості є нормальні алкани, а небажаними – ароматичні.

Ароматичні вуглеводні є також небажаними компонентами дизельних палив через високу температуру займання і, як наслідок, підвищеної здатності до нагароутворення, особливо біциклічні та трициклічні, а також через утворення токсичних речовин у процесі згорання дизельного палива.

Алкани нормальної будови, особливо тверді (С₁₆ та вище), мають високі температури застигання і тому є небажаними компонентами для зимових та арктичних дизельних палив.

Циклоалканові вуглеводні є бажаними компонентами дизельних палив, особливо за низькотемпературними властивостями.

Алкени містяться у дизельних паливах в незначних кількостях, оскільки вони потрапляють до його складу внаслідок введення легкого каталітичного газойлю. Це – небажані компоненти дизельних палив стосовно хімічної стабільності. Їх вміст у паливі обмежується йодним числом.

Окрім вуглеводнів у дизельному паливі містяться гетеро-органічні сполуки. Їх вміст залежить від вихідної нафти та технології отримання дизельних палив. Якщо паливо отримують з малосірчистої нафти, то вміст гетероорганічних сполук незначний. Гідроочищення фракції дизельного палива також знижує вміст гетероорганічних сполук, особливо сірковмісних, вміст яких переважає.

Гетероорганічні сполуки є небажаними компонентами дизельних палив за:

− стабільністю;

− корозійними властивостями;

− утворенням токсичних речовин у процесі згорання.

Технологія виробництва дизельних палив. Схема отримання дизельного палива на ВАТ «Лисичанськнафтооргсинтез» представлена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема виробництва дизельного палива за стандартом

ДСТУ 4840

Сировиною для виробництва дизельного палива є різні нафти за ГОСТ 9965 чи їх суміші у будь-якому співвідношенні незалежно від родовища.

Товарне дизельне паливо з вмістом сірки не більше 0,05 % мас. марки «З» виробляється з гідроочищеної суміші фракцій дизельного палива і керосину із залученням депресорних та диспергуючих присадок.

До сировини установки гідроочищення дизельних фракцій дозволяється залучати фракції 150–250 ºС у кількості не більше 10 %.

Відсоток залучення керосинових фракцій до сумішевих фракцій дизельного палива не регламентується й залежить від того, яке дизельне паливо необхідно отримати за температурою спалаху (не нижче 40 ºС, не нижче 62 ºС).

На сьогодні згідно з вимогами ТУ 38.001355 виробляється дизельне паливо обважненого фракційного складу (ОФС) для використання влітку, що має більш високу температуру кінця кипіння – до 400 ^оС (90 % переганяється за температури 360 ^оС), 50 % переганяється за температури 290–300 ^оС, температура застигання – не вище 5 ^оС, в’язкість за температури 20 ^оС – не більше 8 мм²/с.

Вважається, що перспективою розширення бази дизельних палив (до 30 %) для транспортних засобів є застосування палива широкого фракційного складу (ШФС), до складу якого вводяться бензинові фракції (ТУ 38.401652). Межі википання ШФС знаходяться в інтервалі 60–400 ^оС. Цетанове число (ЦЧ) цього палива біля 40 од., в’язкість і температура спалаху нижче, ніж у стандартного палива.

З метою поліпшення екологічної ситуації останнім часом виробляються екологічно чисті дизельні палива марок ДЛЕЧ (ДЛЕЧ-В) (літнє) і ДЗЕЧ (зимове) згідно з вимогами ТУ 38.1011348, у складі яких обмежений вміст сірки – 0,05–0,1 %. З урахуванням посилення вимог до вмісту ароматичних вуглеводнів для цих марок дизельного палива встановлена норма для цього показника: для палива марки ДЛЕЧ-В – не більше 20 %, для палива марки ДЗЕЧ – не більше 10 %. Внаслідок складної технології отримання такого палива його вартість значно вища стандартної. Екологічно чисті дизельні палива призначені для використання, у першу чергу, в мегаполісах, курортних зонах та інших місцях з обмеженим повітрообміном.

Вказані палива продукують за допомогою гідроочищення дизельного палива з можливістю використання у сировині гідроочищення дистилятних фракцій вторинних процесів.

У країнах Європейської економічної співдружності (ЄЕС) з 1996 р. продукуються та використовуються дизельні палива за європейським стандартом EN 590. Стандарт передбачає використання дизельних палив за сортами для різних кліматичних зон. Загальними вимогами для дизельних палив є вимоги до температури спалахування – не нижче 55 °С, коксивності 10 %-ого залишку – не більше 0,30 %, зольності – не більше 0,01 %, вмісту води – не більше 200 ррm (parts per million – частин на мільйон), механічних домішок – не більше 24 ррm, корозії мідної пластинки – клас 1, стійкості до окиснення – не більше 25 г/м³. З 1996 р. в Європі введені обмеження на вміст сірки в дизельному паливі – не більше 0,05 %.

З 1999 р. в Україні продукується і використовується дизельне паливо, вимоги до якості якого встановлені в ДСТУ 3868. З 2007 р. введено новий стандарт ДСТУ 4840 «Паливо дизельне підвищеної якості». Метою введення даних стандартів було наблизити та гармонізувати вітчизняні вимоги до якості дизельних палив до міжнародних стандартів. ДСТУ 4840 повністю наблизив вимоги до якості дизельних палив до європейського стандарту EN 590.

Сучасні дизельні двигуни встановлюють практично на усіх видах транспортних засобів (окрім літаків), а також використовують як стаціонарні установки (дизель-генератори або дизель-насоси). Залежно від призначення вони розрізняються за частотою обертання колінчастого валу: вище 1500 хв^–1 – високоборотисті, 250–1500 хв^–1 – середньооборотисті і менше 250 хв^–1 – малооборотисті.

На автомобілях встановлюють високооборотні швидкохідні двигуни. Проте|однак| внаслідок вищої теплонапруженості |вони схильні до більшого зносу, порівняно сильно шумлять, термін служби їх менше, економічність нижча. На великих суднах, де дозволяють розміри, встановлюють тихохідні двигуни, громіздкіші, зате надійніші і менш вимогливіші в експлуатації.

На сьогодні |нині|асортимент палив|пальних| для дизельних двигунів систематизований залежно від сфери їх застосування.

Таблица 1

Класифікація палив для дизельних двигунів

Двигун	Сфера застосування	Паливо
Високоборотисті (n >1500 хв–1)	Автомобілі, тепловози, молотоннажні річкові та морські судна, стаціонарні установки	Паливо для високооборотистих дизельних двигунів, суднове малов’язке паливо
Середньооборотисті (n = 250–1500 хв–1)	Річкові та морські судна, стаціонарні установки	Суднове середньов’язке паливо
Малооборотисті (n < 1500 хв–1)	Крупнотоннажні річкові та морські судна	Суднове високов’язке паливо, флотський мазут

Дизельне паливо призначене для двигунів високого стиснення, у циліндрі якого стискається повітря, а паливо впорскується у кінці такту стиснення і спалахує внаслідок високої температури повітря. Такі двигуни називають двигунами із спалахуванням від стиснення або двигунами із самоспала-хуванням.

Умови сумішоутворення і спалахування палива в двигунах цього типу відрізняються від умов в карбюраторних двигунах (двигунах із примусовим спалахуванням робочої суміші від іскри). Відповідно до цього вимоги до якості палива для двигунів із самоспалахуванням відрізняються від вимог, що ставляться до якості палива для бензинових двигунів. Наприклад, внаслідок того, що у двигуні із самоспалахуванням паливо впорскується у повітря, нагріте до високої температури (500–1000^оС) під високим тиском (3,43–3,92 МПа (35–40 кг/см² (атм) і, при цьому, добре розпилюється, вимоги до випаровуваності такого палива знижені.

Як палива для двигунів із самоспалахуванням звичайно використовують гасові, газойлеві та солярові фракції прямої перегонки нафти. Для малооборотистих двигунів – більш важкі дистиллятні і залишкові фракції прямої перегонки нафти або термічного крекінга.

Внаслідок вказаних переваг дизельні двигуни добре конкурують серед інших двигунів для транспортних засобів, незважаючи на низку притаманних їм недоліків – значна складність у виготовленні та обслуговуванні, значно більші габарити та питома вага, менш повне використання повітря, а відповідно за інших рівних умов менша ніж у карбюраторних двигунів, літрова потужність.

Основними фізико-хімічними показниками дизельного палива, що значною мірою визначає його експлуатаційні властивості є:

– цетанове число, що визначає показники потужності і економічні показники роботи двигуна;

– фракційний склад, що визначає повноту згорання, димність і токсичність відпрацьованих газів двигуна;

– в’язкість і густина, що забезпечують нормальну подачу палива, розпилення у камері згорання та працездатність системи фільтрування;

– низькотемпературні властивості, що визначають функціонування системи живлення за низьких температур навколишнього середовища і умови зберігання палива;

– ступінь чистоти, характеризує надійність роботи фільтрів грубої і тонкої очистки та циліндро-поршневої групи двигуна;

– температура спалахування, визначає умови безпеки використання палива у дизельних двигунах;

– наявність сірчистих сполук, ненасичених вуглеводнів і металів, що характеризують нагароутворення, корозію та зношення деталей двигуна.

Займистість – найважливіша експлуатаційна властивість дизельного палива, визначається періодом затримки запалювання, що складається з часу, витраченого на розпад паливного струменя на краплі, їх часткове випаровування і змішування пари палива з повітрям (фізична складова), і часу, необхідного для завершення хімічних реакцій і формування полум’я самозапалювання (хімічна складова). Тривалість періоду затримки самозапалювання впливає на процес згорання палива і характеризується ЦЧ. Цетановое число – показник, що характеризує здатність дизельного палива до самозапалювання. ЦЧ дизельного палива впливає на режим роботи двигуна (пуск, жорсткість робочого процеса (швидкість збільшення тиску), витрати палива, димність відпрацьованих газів).

За низьких (менше 45 одиниць) ЦЧ, тобто великому періоді затримки запалювання, процес згорання палива набуває вибухового характеру і різко підвищується тиск у циліндрі. Таким чином викликаються підвищені ударні навантаження на поршень і шатунні вкладиші, прискорюючи їх зношення. Наслідком цього погіршується процес сумішоутворення, що призводить до неповного згорання палива, зниженню потужності й економічності двигуна, підвищенню димності відпрацьованих газів, високої жорсткості роботи двигуна, підвищенню його гучності й токсичності.

Оптимальне значення ЦЧ знаходиться у межах 40–50 од. Зі збільшенням ЦЧ швидкість наростання тиску знижується, що є наслідком менш жорсткої роботи двигуна.

При високому (понад 50) ЦЧ, тобто малому періоді затримки самозапалювання, паливо в циліндрі займається практично відразу, а тиск зростає рівномірно. При цьому, внаслідок погіршенння повноти згорання спостерігається зниження економічності двигуна (0,2–0,3%) и збільшується димність відпрацьованих газів. Крім того, ЦЧ впливає на легкість пуску дизельного двигуна: чим вище ЦЧ, тим швидше запускається дизельний двигун за низьких температур.

На ЦЧ топлива впливає також ступінь стиснення у камері згорання. Чим выше ступінь стиснення, тем вище температура під час стиснення, тим легше спалахує паливо і необхідно менше ЦЧ.

Цетанове число обумовлене вуглеводневим складом палива. Узагальнено можна сказати, що найнижчі ЦЧ мають нерозгалужені ароматичні вуглеводні, але зі збільшенням бічного ланцюга цієї групи вуглеводнів спостерігається зростання ЦЧ. Найбільші ЦЧ мають парафінові вуглеводні з прямим ланцюгом. Із збільшенням довжини ланцюга цетанове число вуглеводнів збільшується. Розгалуження вуглеводневого ланцюга призводить до пониження ЦЧ. Цетанове число нафтенових вуглеводнів значно нижче ніж алканових і залежить від числа кілець, довжини бокового ланцюга та ступеня його розгалуженості. Чим менше розгалужений боковий ланцюг і чим він довший, тим вище цетанове число вуглеводнів. Збільшення числа кілець в молекулі різко знижує цетанове число.

ЦЧ дизельних палив визначають відповідно до ГОСТ 3122 на моторній установці ИТ-9-3. Сутність методу полягає в порівнянні запалювання проби палива, яка випробовується з еталонною. У якості еталонного палива використовується суміш цетана (н-гексадекана, С₁₆Н₃₄) і -метилнафталіна (С₁₁Н₁₀) у різних співвідношеннях. При цьому, за рахунок малого періоду затримки самозапалювання, ЦЧ цетана прийнято за 100 пунктів, а -метилнафталіна – за 0. Вміст цетана в еталонній суміші (%) приймають за ЦЧ випробуваного палива в таких умовах, коли за 13^о поворот колінчастого вала до верхньої мертвої точки згорання суміші відбувалося саме у верхній мертвій точці. У таких умовах період затримки запалення (швидкість хімічних процесів підготовки суміші до запалення) дорівнює 13^о.

З 1999 р. в Україні продукується і використовується дизельне паливо, вимоги до якості якого встановлені в ДСТУ 3868. З 2007 р. введено новий стандарт ДСТУ 4840 «Паливо дизельне підвищеної якості». Метою введення даних стандартів було наблизити та гармонізувати вітчизняні вимоги до якості дизельних палив до міжнародних стандартів. ДСТУ 4840 повністю наблизив вимоги до якості дизельних палив до європейського стандарту EN 590.

Відповідно до ДСТУ 3868 виробляється дизельне паливо двох марок: Л – літнє (використовується за температури навколишнього повітря вище 0^оС); З – зимове (мінус -25^оС). В основу маркування літнього дизпалива (наприклад Л-0,5-40) входить цифровий індекс вмісту сірки (0,5%) і температури спалахування (40^оС); зимового (З-0,5-мінус 25) – масова частка сірки (0,5%) і температура застигання (мінус 25). А маркування арктичного дизельного палива позначає тільки цифровий вміст сірки (наприклад А-0,2).

Масла.

Серед мастильних матеріалів і технічних рідин моторні оливи займають перше місце – більше 60 %.

Вимоги в галузі моторних олив за останні десятиріччя сконцентрувались у специфікаціях, що розробляються автомобільною промисловістю. Найбільш поширені, визнані у всьому світі, вимоги визначені специфікаціями API (США), SAE та ACEA (Європа) та. Усі ці специфікації відображають послідовну адаптацію якості моторних олив до конструкції двигунів, що розроблялись.

Моторні оливи складаються з основного, базового матеріалу – базових олив та активних добавок – присадок, що поліпшують його.

Бажано для кожного конкретного випадку застосовувати оливу з оптимальними експлуатаційними властивостями. Це обумовлює широкий асортимент олив. Виробництво великої кількості різновидів олив технічно та економічно недоцільно. Для уникнення цього нафтопереробною промисловістю випускається обмежена кількість базових олив, що можуть змішуватись між собою та з присадками на оливозмішувальних заводах для одержання товарних олив з необхідними експлуатаційними властивостями. Виробництво товарних олив складається з двох стадій – виробництво базових олив та змішування компонентів (компаундування).

Базові оливи розрізняються між собою в’язкістю, хімічним складом та деякими іншими властивостями. Якість товарної оливи залежить від нафти, способу одержання базової оливи, глибини хімічного перетворення та очищення.

Компаундування олив є відносно нескладним технологічним процесом, що може здійснюватися на порівняно невеликих оливозмішувальних заводах.

Загальна схема виробництва базових мінеральних олив (рис. 4.1):

– атмосферна перегонка, за якої відділяються легкокиплячі фракції (світлі нафтопродукти) та атмосферний залишок або мазут, що слугує сировиною для вакуумної перегонки під час виробництва олив;

– вакуумна перегонка атмосферного залишку (мазуту) здійснюється за значно нижчих температур у вакуумі, що дозволяє переганяти в’язкі продукти. Одержують фракції олив – вакуумні дистиляти з різною в’язкістю та вакуумний залишок, з яких виробляють високов’язкі базові оливи;

– очищення фракцій вакуумної перегонки методом екстракції, за допомогою якої розчинниками відокремлюються непотрібні сполуки;

– депарафінізація фракцій, за якої відокремлюються парафіни;

– інші технологічні процеси для поліпшення якості базових олив: гідрування, каталітичний гідрокрекінг, очищення відбілюючою глиною, кристалічним алюмосилікатом або цеолітом тощо.

З агальна технологія виробництва базових олив.

Мінеральні масла	На основах із суміші вуглеводнів, що очищені від небажаних домішок; властивості залежать від природи нафти та процесів переробки
Синтетичні масла	Основою є однорідні компоненти без небажаних домішок, існує чіткий взаємозв'язок між структурою їх основи та її властивостями та можливість ці властивості регулювати під час виробництва синтетичних базових масел

Основні фракції вакуумної перегонки атмосферного залишку (мазуту):

– легка вакуумна олива (температура кипіння 300–350 ºС);

– середня вакуумна олива (температура кипіння 350–420 ºС);

– важка олива (температура кипіння 420–500 ºС).

За фракційним складом базові оливи поділяються на дистилятні, компаундовані та залишкові. Дистилятними оливами є окремі фракції або їх суміші. Компаундовані оливи одержують змішуванням дистилятів та залишкових олив.

Залишкові оливи мають хороші експлуатаційні змащувальні властивості. Їх стійкість до окиснення краща, ніж у дистилятних олив. З легких дистилятів одержують легкі індустріальні та трансформаторні оливи, з середніх та важких дистилятів – індустріальні та моторні, з компаундованих та залишкових – моторні, трансмісійні, важкі індустріальні, циліндрові та інші оливи.

Якість оливи – це комплекс властивостей, що необхідні для використання оливи за призначенням. Одні властивості, такі як в’язкісні, є основними для усіх олив, незалежно від їх призначення, а інші необхідні тільки у певних умовах застосування і в кожному конкретному випадку характеризуються певними показниками якості.

Для полегшення вибору оливи необхідної якості для конкретного типу двигуна і умов експлуатації, були створені системи класифікації. У кожній системі моторні оливи поділяються на ряди та категорії, засновані на рівні якості і призначенні. Ці ряди і категорії створенні за ініціативою міжнародних організацій нафтопереробних компаній і автовиробників із врахуванням конструктивних особливостей різних типів двигунів і умов їх експлуатації. Призначення і рівні якості є основою асортименту олив. Зважаючи на дещо відмінності у конструкціях і умовах експлуатації, в наш час одночасно існують декілька систем класифікації моторних олив – API / ILSAC, JASO, ACEA і ГОСТ (для країн СНД).

Найбільші виробники автомобілів висувають додаткові вимоги до якості моторних олив. Таким чином, нарівні зі загальноприйнятими системами класифікацій, існують і вимоги (специфікації) виробників автомобілів.

За своїм призначенням мастильні оливи поділяють на групи та підгрупи (табл. 4.3) за ДСТУ 4106.

Таблиця 4.3