Глава 4

ПРИМЕНЕНИЕ ТОПЛИВ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Используемые в ДВС углеводородные топлива входят в ассортимент товарных эксплуатационных материалов автотракторной техники. Предусмотренная ассортиментом номенклатура постоянно изменяется из-за внедрения новых, более перспективных и снятия с производства устаревших марок топлив. При проектировании но­вых образцов ДВС и анализе возможностей улучшения качества и повышения эффективности конструкций двигателей необходимо исходить как из существующего ассортимента, так и из перс­пективных видов топлив. Рациональный выбор используемых марок топлива является одним из основных факторов, влияющих на экономику автомобильного транспорта как по показателям топливной экономичности, так и по надежности и долговечности двигателя.

Наряду с этим относительно большое количество находящихся в производстве и эксплуатации марок топлив вызывает техно­логические и эксплуатационные затруднения при их изготовлении, хранении, транспортировке и контроле качества, поэтому одной из важных задач является сокращение ассортимента и унификация топлив, которые проводятся по государственной программе. Програм­ма основывается на учете огромных масштабов производства топлива и соответственно придает преимущественное значение экономии и обеспечению ресурсов при минимальной себестоимости топлива. Ис­ходя из этого, значительное внимание на перспективу придается альтернативным топливам.

§ 4.1. Жидкие нефтяные топлива

В существующей нормативной документации на жидкие нефтя­ные топлива имеется четкое разделение этих топлив на бензины и дизельные топлива.

При анализе показателей качества топлив необходимо учитывать, что групповой состав топлив одной и той же марки может значитель­но отличаться (в зависимости от вида используемого сырья и тех­нологии его переработки), однако все контрольные показатели должны удовлетворять нормам, предусмотренным стандартами.

Ассортимент бензинов. Отечественные товарные бензины пред­ставляют собой смесь углеводородов, выкипающих в диапазоне тем­ператур от 35 до 195 °С, полученных при прямой перегонке, каталитическом риформинге, термическом и каталитическом крекинге с высокооктановыми компонентами и присадками. Бензины имеют марку, состоящую из буквенного и числового индексов. Бук­венный кодекс указывает тип двигателя, для которого предназначен бензин (А — автомобильный, Б — авиационный); числовой — октано­вое число бензина. В бензинах марок АИ-93, АИ-95 и АИ-98 буква «И» означает, что октановое число определено по исследовательскому методу (в остальных бензинах октановое число определено по мо­торному методу). В марке бензина отсутствует указание на его вид (зимний или летний), но в период с 1 апреля по 1 октября изго­тавливают бензины летнего вида, с 1 октября по 1 апреля — зимнего. Показатели качества на бензины, применяемые в качестве топлива для карбюраторных автомобильных и мотоциклетных двигателей, представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Показатели качества	Норма для марки бензина								ОСТ 38 019-75
	ТУ 38 001307	ГОСТ 2084-77
	А-66	А-72	А-76*	А-76	АИ-93*	АИ-93	АИ-98*	АИ-98	АИ- «Экст- ра»
Детонационная стой­кость ОЧМ, не менее	66	72	76	76	85	85	89	89
ОЧИ, не менее	Не нормируется				93	98	98	98	95
Масса свинца, г, на 1 кг бензина, не бо­лее	0,60	-	-	0,24	-	0,5	-	0,5	-
Фракционный состав tн.к., °С, не ниже:
летнего вида	35	35	35	35	35	35	35	35	30
Зимнего»	Не нормируется
t10 % не выше, °С:
	35	35	35					35	30
летнего вида	79	70	70	70	70	70	70	70	70
Зимнего»
t 50% не выше, °С:
летнего вида
Зимнего»
t н.к. не выше, °С:
летнего вида
Зимнего»
Остаток в колбе, %, не более	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1.5	1,5
Остаток + потери, %, не более	4	4	4	4	4	4	4	3,5	4,0
Давление насыщен­ных паров, ГПА:
летнего вида	666	666	666	666	666	666	666	666	533
Зимнего»	666-933
Кислотность, мг КОН на 100 мл бензина, не более	3,0	3,0	1,0	3,0	0,8	3,0	1,0	3,0	3,0
Концентрация фактических смол, мг на 100 мл бензина, не более	7	5	3	5	От­сутст­вует	5	3	5	3
Индукционный период на месте производства, мин, не менее	450	600	1200	900	1200	900	1300	900	600
Массовая доля серы, %, не более	0,15	0,12	0,02	0,1	0,01	0,1	0,05	0,1	0,05
Цвет	Зеле­ный	—	—	Жел­тый	—	Оран же­вый	-	Синий	-

Примечание. Индексом * отмечены бензины, выпускавшиеся с Государствен­ным знаком качества. В этих бензинах отсутствуют токсичные антидетонационные присадки (ТЭС или ТМС). Их детонационная стойкость обеспечена добавлением высокооктановых компонентой (например, алкилбензола или изопентана).

Во всех марках бензинов должны отсутствовать водорастворимые кислоты и щелочи, вода и механические примеси. ГОСТ допускает вырабатывать бензины, предназначенные для применения в южных районах, со следующими показателями по фракционному составу: 10 % перегоняется при температуре не выше 75 °С; 50 % — не выше 120 °С.

Допускается также для бензинов, изготовленных с применением компонентов каталитического риформинга, t_кк бензина марок А-76, АИ-93 и АИ-98 летнего вида — не выше 205 °С; бензина марок А-76 и АИ-93 зимнего вида — не выше 105°С

Гарантийный срок хранения бензинов всех марок устанавливается пять лет со дня изготовления. По истечении гарантийного срока хранения бензин должен быть проверен на соответствие требованиям стандарта. В пределах гарантийного срока хранения допускается увеличение: температур t_10% на 1 °С, t_50%, t _90% и t_кк — на 2 °С; остатка в колбе — на 0,30 %.

Для всех марок бензинов установлены температуры самовоспла­менения 286—370 °С, вспышки (—27 —39)°С. Взрывоопасная кон­центрация паров бензина в смеси с воздухом — 6 %; предельно допустимая концентрация паров бензина в воздухе 10^-4 кг/м³ . В городах и районах СССР, где запрещено применение этилированных бензинов, используют соответствующие марки, не содержащие ТЭС.

Все этилированные бензины для предупреждения об их токсичности окрашивают.

Бензин А-66 предназначен для использования в двигателях с низкими степенями сжатия и малой тепловой напряженностью. Производство этой марки бензина сокращается за счет увеличения доли бензинов А-76 и АИ-93.

Бензин А-72 применяют для двигателей с относительно более высокой степенью форсирования. Характерной особенностью этого бензина является отсутствие ТЭС, что позволяет использовать его для различных технологических работ.

Бензин А-76 представляет собой бензин А-72, у которого окта­новое число повышено за счет введения этиловой жидкости или добавления высокооктановых компонентов. Этот бензин является

основным топливом для современных двигателей грузовых авто­мобилей.

Бензин АИ-93 используют как массовое топливо для современных легковых автомобилей и для форсированных двигателей грузовых автомобилей. Неэтилированный бензин АИ-93 содержит значитель­ное количество высокооктановых добавок — до 28 % алкилбензола и до 7 % бутан-бутиленовой фракции.

Бензин АИ-98 получают путем введения этиловой жидкости в неэтилированный бензин АИ-93. Бензины АИ-95 и АИ-98 являются перспективным топливом для легковых автомобилей высшего класса. Эти автомобили предназначены для использования в условиях га­ражного хранения, поэтому для бензинов АИ-95 и АИ-98 не пре­дусмотрено наличие зимнего сорта.

Во все современные бензины добавляют антиокислительные присадки.

Для справки в приложении II приведены некоторые сведения по авиационным бензинам.

Относительно большое количество находящихся в эксплуатации марок бензина усложняет материально-техническое обеспечение ав­тотранспорта. В перспективе предполагается иметь две марки массовых бензинов: одну для грузовых автомобилей (ОЧИ 80 или 82) и другую для легковых (ОЧИ 90 или 93). Для использования в высокофорсированных двигателях в ограниченных количествах будет выпускаться бензин ОЧИ 95 или 98. В этих бензинах возможна замена ТЭС на ТМС и применение эффективных выносителей, а также обеспечено более равномерное распределение октанового числа по фракциям, благодаря чему уменьшается влияние фрак­ционирования во впускном трубопроводе и соответственно увеличится ФОЧ.

Повышение качества бензинов идет в направлении расширения использования в них высокоэффективных компонентов, получаемых передовыми технологическими методами: каталитическим риформингом, синтезом углеводородных газов, алкилированием и т.п.

Современная технология переработки нефти позволяет изготовять значительные количества высокооктановых неэтилированных бензинов. Несмотря на относительно более высокую стоимость таких бензинов, их применение экономически целесообразно, так как позволяет существенно увеличить ресурсы и топливную экономичность iпитателя наряду с уменьшением загрязнения окружающей среды отработавшими газами.

Ассортимент дизельных топлив.

Отечественные товарные дизель­ные топлива представляют собой прямогонные фракции нефти, выкипающие в диапазоне температур 180—360 °С.

Требования к качеству товарных топлив, используемых для быстроходных дизелей и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники, регламентированы ГОСТ 305—82 (табл. 4.2).

Таблица 4.2.

Показатель	Марка
	Л	3	А
Цетановое число, не менее	45	45	45
Фракционный состав, %, (об.):
50 % перегоняется при температуре, °С, не выше	280	280	255
96 % перегоняется при температуре, °С, не выше (конец перегонки)	360	340	330
Кинематическая вязкость при 20 °С, мм2 /с	3,0 — 6,0	1,8 - 5,0	1.5 — 4,0
Температура застывания, °С, не выше для климатической зоны:
умеренной	— 5	—25	-
холодной	-	—45	—55
Температура помутнения, °С, не выше, для климатической зоны:
умеренной	—5	—25	-
холодной	-	—35	-
Содержание серы, % (масс.), не более:
в топливе вида I	0,2(0,2)	0,2(0,2)	0,2(0,2)
в топливе вида II	0,5	0,5	0,4
Содержание фактических смол, мг/100 мл, не более	40(25)	30(25)	30(25)
Плотность при 20 °С, кг/м3 , не более	860	840	830

Примечание: Величины показателей, указанных в скобках, даны для топлив, выпускавшихся со Знаком качества.

Для всех марок топлива, выпускаемых по данному ГОСТУ, пре­дусмотрено: содержание меркаптановой серы — не более 0,01 % (масс.); кислотность — не более 5 мг КОН/100 мл; зольность — не более 0,01; коксуемость 10 %-ного остатка — не более 0,30; ко­эффициент фильтруемое™ — не более 3; испытания на медную пластину — выдерживает, механические примеси; вода, водораст­воримые кислоты и щелочи, сероводород — отсутствуют.

Все рассмотренные топлива обладают высокой стабильностью — для них установлен гарантийный срок хранения 5 лет. Для обеспе­чения заданного цетанового числа разрешается введение в топливо до 1 % изопропилнитрата.

Для уменьшения коррозии двигателей, использующих топлива по ГОСТ 305—82, эти топлива разделяют (с указанием в паспорте) на два вида: первый — с содержанием серы до 0,2; и второй — с содер­жанием серы до предельных норм ГОСТ. Топлива второго вида разрешается применять только в двигателях, использующих мотор­ные масла с высокой щелочностью (что уменьшает коррозию металла сернистыми соединениями).

Дизельные топлива делят на арктические, зимние и летние. Арктическое топливо (А — арктическое) используют при температуре воздуха не ниже —50 °С. Зимнее топливо (3 — зимнее) в зависимости от климатической зоны использования вырабатывается двух видов: для умеренной зоны (t_заст — 35 °С), применяется при температуре воздуха не ниже —20 °С и для холодной зоны (t_заст —45 °С), применяется при температуре воздуха не ниже —30°С. Летнее топливо (Л —летнее) — при температуре воздуха выше 0°С.

ГОСТ 305—82 допускает на период сельскохозяйственных работ с 1 апреля по 1 сентября (для южных районов с 1 января по 1 октября) при температуре не ниже 5 °С применять топливо с тем­пературой застывания не выше 0 °С.

В условное обозначение всех марок топлива включено указание массовой доли серы. В обозначение топлива летней марки включена также температура вспышки, а зимнего — температура застывания. Например, Л-0,2-40 топливо летнее с содержанием серы не более 0,2 % (мае.) и температурой вспышки паров в закрытом тигле 40 °С.

Топлива ТЗ и ТЛ по ГОСТ 10489—63 предназначены для использования зимой и летом в быстроходных тепловозных и судовых дизелях и являются полноценными заменителями автотрактор­ного дизельного топлива (могут применяться в течение неограниченного времени).

Для средне- и малооборотных дизелей вырабатывают топлива ДТ и ДМ по ГОСТ 1667—68 (табл. 4.3).

ДТ предназначено для дизелей, не оборудованных системой под­готовки топлива, ДМ (мазут) —для судовых дизелей, оборудованных системой подготовки топлива.

Основные перспективы в улучшении качества дизельных топлив заключаются в широком применении гидроочистки и селективной депарафинизации. Гидроочистка позволяет получать из сернистых нефтей топлива, равноценные топливам, получаемым из малосернистых нефтей. При гидроочистке повышается термоокислитель­ная стабильность и снижается коррозионная агрессивность топлив по отношению к медьсодержащим деталям.

Таблица 4.3

Показатели качества	Марка
	ДТ	ДМ
Плотность при 20 °С, кг/м , не более	930	970
Фракционный состав: до 250 °С перегоняется при, % (об.), не более	15	10
Вязкость при 50°С кинематическая, мм /с, не более	36	150
Коксуемость, % не более	3,0	10,0
Зольность, %, не более	0,04	0,15
Содержание серы, % (мас.), не более:
в малосернистом топливе	0,5	---
сернистом »	1,5	3,0
механических примесей	0,10	0,20
воды	1,0	1,5
ванадия	0,0)5	0,01
Температура, °С:
вспышки в закрытом тигле, не ниже	65	85
застывания, не выше	5	10

Применение селективной депарафинизации позволяет увеличить производство зимних сортов дизельных топлив, что, учитывая климатические особенности СССР, является важной народнохозяй­ственной задачей. В настоящее время освоено производство дизель­ных топлив с более высокими показателями, чем предусмотрено ГОСТ 305—82. Например, выпускается топливо ДС (дизельное се­верное) высшей категории качества, которое имеет цетановое число 52, содержание серы — не более 0,13 %, коксуемость 10 %-ного остатка — не более 0,033 %. Достаточно высокими показателями ка­чества обладают экспортные топлива ДЛЭ и ДЗЭ (см. прило­жение III).

Перспектива широкой дизелизации автотранспортного парка Рос- j сии — массовый выпуск дизельных автомобилей КамАЗ, перевод на дизели автомобилей «Урал», ЗИЛ, КАЗ и ГАЗ, а также намечаемое, в перспективе, применение дизелей на отечественных легковых автомобилях — требует значительного увеличения ресурсов дизельных топлив. Одним из решений этой задачи является использование для дизелей топлив широкого фракционного состава (ШФС). Эти топлива состоят из дизельных и бензиновых фракций (примерно 40 % бензиновых и 60 % дизельных). Соответственно они обладают более низкой температурой начала кипения ( 60 °С) и лучшими низко­температурными свойствами. Для получения топлив ШФС можно использовать газовые конденсаты.

Установлено, что работа дизелей на топливе ШФС по сравнению с обычным дизельным топливом позволяет получать пониженные j нагарообразование и износы деталей цилиндропоршневой группы, лучшую топливную экономичность, меньшую дымность и токсичность отработавших газов.

Переход на производство и применение дизельных топлив ШФС позволит расширить ресурсы летнего топлива для дизелей на 30—35 % и зимнего на 20—30 %, снизить себестоимость топлива на 15 % и капиталовложения в нефтеперерабатывающую промышленность на 35 %. Физико-химические свойства топлив ШФС-Л (летнего), ШФС-3 (зимнего) и ШФС-А (арктического) даны в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Показатель	ШФС-Л	ШФС-3	ШФС-А
Цетановое число, не менее	45	45	45
Фракционный состав, °С:
температура начала перегонки, не ниже	70	70	70
10 % перегоняются при температуре, не ниже	100	100	100
50 % перегоняются при температуре, не выше	250	250	250
96 % перегоняются при температуре, не выше	360	360	360
Температура застывания, °С, не выше	-15	—40	—55
Температура помутнения, °С, не выше	—5	—25	—40
Содержание серы, %, не более	0,15	0,16	0,1
в том числе меркаптановой, %, не более	0,005	0,005	0,005
Вязкость кинематическая при температуре 25 °С, мм /с, в пределах	1,8 — 3,5	1,6 - 3,0	1,4-2,5

Наличие в топливах ШФС бензиновых фракций обусловливает повышенную пожаро- и взрывоопасность и относительно низкое це­тановое число. Дальнейшее расширение фракционного состава дизельных топлив (а следовательно, и их сырьевой базы) может осуществляться путем включения тяжелых фракций нефти с t9b% на 25—30 °С выше /96% стандартного дизельного топлива. Это поз­воляет на 2—4 % увеличить выход топливных фракций из нефти.

Показатели качества такого утяжеленного дизельного топлива даны в приложении III.

Наличие в утяжеленном топливе высокомолекулярных углеводо­родов обусловливает повышение температуры застывания на 5°С и увеличение коэффициента фильтруемости.

Возможно одновременное сочетание обоих способов расширения фракционного состава дизельных топлив: путем включения как облегченных (бензиновых), так и утяжеленных фракций, т.е. исполь­зование топлива с t_{Н К} = 60 — 80 °С и ?%%- 360 °С. Применение таких топлив обеспечивает дополнительное расширение сырьевой ба­зы дизелизации.

Таблица 4.5

Показатели	Газовый конденсат			Дизельное топливо «Л» по ГОСТ 305-85
	1	2	3
Цетановое число, не менее	43	53	52	45
Фракционный состав, °С:
начало кипения	103	111	140
50 % перегоняется	151	201	208	208
96 % »	250	350	345	360
Массовое содержание серы, %:
общей	0,02	0,02	0,02	0.5
меркаптановой	0,0001	0,0001	-	0,01
Вязкость при 20°С, мм2	1,2	1,7	2,1	3,5 - 6,0

Другим перспективным источником дополнительных ресурсов топлива для дизелей является смесь углеводородов, конденсирующихся из природного и попутного нефтяного газов. Такие топлива называют газоконденсатными. На некоторых месторождениях содержание газоконденсатного топлива достигает 0,5 м /м газа. Громадные запасы газового конденсата имеются в европейской части СССР, Сибири и Средней Азии. Состав и физико-химические свойства газоконденсатного топлива зависят от месторождения и могут быть достаточно близки к дизельному топливу и реже к бензину. В табл. 4.5 приве­дено сравнение некоторых основных показателей газовых конденса­тов различных месторождений со стандартным дизельным топливом. Из таблицы следует, что газовые конденсаты в основном отличаются облегченным фракционным составом, меньшей вязкостью и практически полным отсутствием серы (как общей, так и меркаптановой). Показатели товарного газоконденсатного топлива опреде­лены ТУ 51-28—81 «Топливо газоконденсатное широкофракционное для быстроходных дизелей» (табл. 4.6).

Таблица 4.6

Показатель	Марка топлива
	Л	З	А
Цетановое число, не менее	40	40	37
Фракционный состав, °С:
начало кипения, не ниже	80	70	70
t 50%, не выше	250	250	250
t 96%, не выше	360	360	360
Вязкость кинематическая при 20 °С, не ниже	1,8	1.5	1.2
Температура застывания, °С, не выше	-15	—40	—55
Температура помутнения, °С, не выше	—5	-25
Концентрация фактических смол, мг на 100 см ( не более	40	30	30
Коэффициент фильтруемости, не более	3	3	3

Это топливо получают прямой перегонкой газовых конденса­тов и компаундированием после предварительной очистки полу­ченных продуктов с товарными дизельными топливами (газовые конденсаты некоторых месторождений могут быть непосредствен­но использованы в качестве топлива). Облегченный фракционный состав газоконденсатного топлива определяет основные особен­ности его эксплуатации: повышение жесткости работы дизеля, уменьшение дымности отработавших газов и повышение пожаров взрывоопасности (температуры вспышки паров —5°С, само­воспламенения 250—370 С; диапазон взрывоопасных концент­раций паров топлива с воздухом 1,4—8 % об.).

Контрольные вопросы

1. Какие эксплуатационные показатели двигателя улучшается при использовании бензином, выпускавшихся со Знаком качества - Какие требования к моторному маслу и почему предъявляют при использовании дизельных топлив второю вида? 3. Какой бензин (укажите марку) может храниться наиболее длительное время и почему? 4, Почему для дизельных топлив и зимних видов бензинов не нормирована величина t_нк? 5. Топлива одной и той же марки могут иметь различные значения величины стехиометрического количества воздуха и теплоты сгорания. Почему и к каким последствиям это может привести? 6. Перечислите достоинства и недостатки топлив широкого фракционного сос­тава (в сравнении с топливами по ГОСТ 305—82).