Библиографический список
1.Васильева Л.С. Автомобильные эксплуатационные материалы: Учеб. для вузов /
Л.С. Васильева – М.: Наука-Пресс, 2003. – 421 с.
2.Обельницкий А.М. и др. Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости. Учебник для ВУЗов по спец. «Двигатели внутреннего сгорания» / А.М. Обельниц-
кий, Е.А. Егорушкин, Ю.Н. Чернявский; под ред. проф. А.М. Обельницкого. М.: ИПО
«Полиграм», 1995. – 272с.
3.Сафонов А.С. и др. Автомобильные автоэксплуатационные материалы / А.С.
Сафонов, А.И. Ушаков, Н.Д. Юскавец. – СПб.: Гидрометиоиздат, 1998. – 233 с.
4.Анисимов И.Г. и др. Топливо, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение. Справочник / И.Г. Анисимов. – М.: Техинформ, 1999. – 596 с.
5.Гуреев А.А. и др. Химмотология: учебник для ВУЗов / А.А. Гуреев, И.Г. Фукс,
В.Л. Лашхи. – М.: Химия, 1986. – 367 с.
6.Гуреев А.А. и др. Автомобильные эксплуатационные материалы / А.А. Гуреев,
Р.Я. Иванова, Н.В. Щёголев. – М.: Транспорт, 1974. – 280 с.
7.Кириченко Н.Б. Автомобильные эксплуатационные материалы: Учеб. пособие для сред. проф. образования / Н.Б. Кириченко. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 208 с.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВАХ
Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепловой энергии, образуемой при сгорании топлива, в механическую. Эти двигатели подразделяют на двигатели внешнего сгорания (паровые, Стирлинга и др.) и двигатели внутреннего сгорания.
Наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Среди этих двигателей наибольшее распространение получили поршневые двигатели, но в последние 40…50 лет развиваются и другие группы двигателей внутреннего сгорания: реактивные, газовые турбины.
В начале лекции я использовал термин «топливо». Однако бензин, дизельное топливо, газ следует называть «горючим», т.е. компонентом топлива, окисляющимся в процессе горения. Другим компонентом является «окислитель», в данном случае кислород, служащий для окисления горючего. Но исторически сложилось так, что термин «топливо» используется вместо термина «горючее».
Классификация топлив
Топлива для тепловых двигателей должны отвечать следующим основным требованиям:
1)полностью испаряться и сгорать с максимальным выделением тепла
иминимальным образованием токсичных и коррозионных активных продуктов;
31
2)не вызывать затруднений при транспортировании, хранении и подаче по системам питания в любых климатических условиях;
3)быть недорогими и нетоксичными.
Топлива для ДВС разделяют по типу двигателя, для использования в котором они предназначены, на бензины и дизельное топливо; по агрегатному состоянию на жидкие и газообразные; по химическому составу на углеводородные и неуглеводородные; по виду исходного сырья на нефтяные и синтетические.
Более подробная классификация жидких топлив разделяет последние на пять групп:
Первая группа включает топлива для поршневых двигателей с принудительным воспламенением, т.е. карбюраторные двигатели и бензиновые двигатели с впрыском. Для этих двигателей необходимы легкоиспаряющиеся низкокипящие фракции углеводородов, с температурой выкипания в пределах от 40 до 2000 С. Это автомобильные и авиационные бензины.
Вторая группа. К ней относят топлива для поршневых двигателей с воспламенением от сжатия. Впрыск и распыливание в этих двигателях происходят в сильно нагретом воздухе 7000 С. При таких температурах успевают испариться и образовать горючую смесь надлежащего состава более тяжелые фракции углеводородов с температурой выкипания в пределах 180...3600 С и больше (для тихоходных двигателей).
Третью группу составляют топлива для реактивных двигателей. К ним предъявляют особенно высокие требования, обусловленные необходимостью обеспечения надёжности летательных аппаратов. К этой группе относятся керосиновые фракции углеводородов с пределами выкипания 140...2800 С. При этом для сверхзвуковых самолётов можно использовать и более тяжёлые фракции, выкипающие до 3150 С.
Четвёртая группа включает топливо для газовых турбин (силовые установки кораблей, ж/д локомотивов и т.д., привод крупных насосных установок). Такими топливами являются тяжёлые дистиллятные фракции прямой перегонки нефти и вторичных процессов.
Пятая группа – это топливо для топочных устройств паросиловых установок транспортного и стационарного типа. Это тяжёлые остатки нефти после различных процессов переработки, а иногда тяжёлые нефти с малым содержанием лёгких фракций, которые экономически невыгодно перерабатывать.
Классификация нефтяных топлив для тепловых двигателей свидетельствует о том, что в качестве жидких топлив применяют практически все фракции нефти. Однако эффективность использования топлива наиболее высока в ДВС. Именно поэтому количество топлив для ДВС, получаемое из нефти, характеризует глубину переработки нефти. В настоящее время
32
этот показатель во всех промышленно развитых странах составляет около 70 % и принимаются меры для его увеличения.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА
Уголь. В качестве источника получения такого топлива в первую очередь рассматривают уголь, запасы которого в мире превосходят запасы нефти и газа. При переработке угля можно получить жидкие продукты, содержащие углеводороды и неуглеводородные примеси. Наиболее прогрессивны методы термической обработки угля в атмосфере водорода в присутствии катализаторов. Из образующейся смеси широкого фракционного состава могут быть получены бензин и дизельное топливо.
Переработка угля путём газификации водяным паром даёт синтез-газ, из которого каталитической переработкой также получают жидкие топлива.
Газообразные топлива. Для котельных установок, электростанций, промышленных печей и других топочных устройств применяют газообразные углеводороды. В то же время всё большее распространение получает использование газообразных углеводородов в качестве топлив для ДВС и в прежде всего для двигателей с принудительным зажиганием.
Природные газы из газовых месторождений почти целиком состоят из метана (от 82 до 98 %) с небольшой примесью этана (до 6 %), пропана (до
1,5 %) и бутана (до 1 %).
Впопутных газах нефтяных месторождений так же основным компонентом является метан, но содержание его колеблется в более широких пределах (от 40 до 85 %), чем в природных газах.
Состав заводских газов наиболее разнообразен. В них содержатся как парафиновые, так и олефиновые углеводороды (с одной двойной связью). Количество тех или иных углеводородов и их строение всецело зависят от технологии получения горючего газа на заводе.
Состав газов, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах, зависит от типа установки, с которой он отбирается. Газы установок каталитических процессов содержат обычно намного меньше олефиновых углеводородов, чем газы термических процессов. Особенно много олефиновых углеводородов содержится в газах пиролиза и коксования. Однако такие газы чаще используются не как топливо, а как сырьё для синтеза пластических масс и других веществ.
Вкачестве топлива для газобаллонных автомобилей, помимо указанных выше, можно использовать коксовый и городской газы, получаемые при коксовании углей, канализационные газы, являющиеся продуктом переработки сточных вод городских канализационных систем и т.д.
33
Во всех горючих газах, используемых в качестве топлив для газобаллонных автомобилей, кроме углеводородов, содержатся другие составляющие: водород, окись углерода, двуокись углерода, азот, кислород, водяные пары, сероводород и т.д. Неуглеводородные составляющие горючих газов (водород и окись углерода) имеют невысокую теплоту сгорания, поэтому их присутствие снижает калорийность топлива. Такие компоненты как, как двуокись углерода и азот, не участвуют в сгорании и тем самым также снижают калорийность горючих газов. В необходимых случаях горючие газы специально очищают от неуглеводородных составляющих.
Таким образом, эффективность и особенности применения горючих газов обусловливаются составом и свойствами их углеводородной части. В зависимости от физических свойств углеводородной части все газообразные топлива условно делят на две группы - сжатые и сжиженные газы.
Сжиженные газообразные топлива содержат в основном пропан С3Н8 и бутан С4Н10. Каждый из этих углеводородов в отдельности или в смеси хранят при обычных температурах в жидком виде в баллонах при давлении 1,6 МПа. Критическая температура для пропана + 970 С, для бутана + 1250 С.
Основной газообразный углеводород, используемый в сжатом виде, - метан. При температуре выше 820 С (критическая температура) его нельзя превратить в жидкость при сжатии до любых высоких давлений. Его хранят в баллонах при давлении до 20 МПа. При охлаждении до 1610 С метан сжижается при атмосферном давлении.
Сжиженные газы в качестве автомобильных топлив имеют ряд преимуществ перед сжатыми газами. Одним из главных преимуществ является более простая и безопасная топливная аппаратура из-за:
-низкого давления;
-отсутствия необходимости в создании специального топливного бака
ввиде морозильной камеры и т.д.
Основные физические параметры нефтяных газов даны в табл. 1.
Сжиженные нефтяные газы.
Состав, свойства, марки. Наиболее широкое применение в качестве топлива для газобаллонных автомобилей получили сжиженные нефтяные газы (СНГ). К ним относят горючие газы, основными углеводородами, в которых являются пропан или бутаны. В таких газах возможно присутствие и олефиновых углеводородов (пропилен и бутилены), однако количество их обычно невелико, так как олефиновые углеводороды предварительно выделяют из горючих газов и используют в качестве сырья для нефтехимии. Таким образом, свойства сжиженных газов определяются количеством и свойствами пропана и бутана. Эти газы в отличие от метана тяжелее воздуха и поэтому при утечках скапливаются на полу, в смотровых канавах.
34
Эти газы называют нефтяными попутными газами, потому что их получают в основном при добыче и переработке нефти.
Пропан и бутан имеют высокие октановые числа (см. табл. 1) очень маленькое цетановое число 4…5 пунктов. В жидкое состояние они переходят при обычной температуре под действием небольшого давления. Так при +200С для перевода пропана из газообразного состояния в жидкое необходимо давление 0,85 МПа, для н-бутана – 0,21 МПа, для изобутана – 0,32 МПа. В связи с этим для хранения и транспортировки сжиженных газов используют баллоны с рабочим давлением 1,6 МПа. Такое давление обеспечивает содержание в жидком состоянии даже чистого пропана до температуры около +500 C.
Для двигателей грузовых и легковых автомобилей, использующих в качестве моторного топлива сжиженный нефтяной газ, состав его регламентирован ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Технические условия». Этот стандарт предусматривает две марки сжиженного нефтяного газа: зимний ПА (пропан автомобильный) и летний ПБА (пропан-бутан автомобильный).
Пропан автомобильный содержит 80…90 % пропана, остальное бутан, этан, метан и непредельные углеводороды. ПА применяется в диапазоне температур окружающей среды от 20 до 350 C.
Пропан-бутан автомобильный содержит 40…60 % пропана, остальное бутан, этан, метан и непредельные углеводороды. ПБА применяется в диапазоне температур окружающей среды от +45 до 200 C.
При температурах окружающей среды ниже 350 C, в соответствии с ТУ 33.1011184 89, применяют для автомобильного транспорта марку сжиженного нефтяного газа ЭПА (этан-пропан автомобильный). Наиболее жёсткие требования предъявляются к стабильности состава сжиженного нефтяного газа, так как основные физико-химические свойства их составляющих существенно различаются. Наряду с указанными компонентами в состав сжиженного нефтяного газа входят другие предельные и непредельные углеводороды. Суммарное их количество в применяемых СНГ не превышает 5…6 %. По своим физико-химическим и эксплуатационным показателям сжиженные нефтяные газы должны соответствовать значениям, указанным в таблице 2.
Различные углеводороды, входящие в состав СНГ, имеют разные значения давления насыщенных паров. Основными компонентами являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от 1 до 4. Этот параметр СНГ имеет важнейшее практическое значение.
35