Фракционный состав — объемная доля в нефтепродукте углеводородов, выкипающих в определенных температурных пределах.

Теплота сгорания элемента, входящего в какие-либо соединения, не равна теплоте сгорания того же элемента, взятого в отдельности (обычно первая меньше), так как часть выделяющейся энергии затрачивается на расщепление молекул.

Жидкие топлива нефтяного происхождения состоят в основном из углеводородов, т. е. органических соединений, включающих только два горючих элемента — углерод и водород.

По соотношению углерода и водорода углеводороды подразделяют на группы:
1) парафиновые углеводороды (алканы), имеющие элементарный состав;
2) нафтеновые углеводороды (цикланы);
3) ароматические углеводороды.

В жидких топливах, полученных в результате некоторых видов деструктивной переработки нефтяных фракций, встречаются олефиновые (ненасыщенные) углеводороды (алкены), совпадающей с формулой для нафтеновых углеводородов, но с другим размещением атомов в молекуле.

В состав жидких топлив входят углеводороды с различным числом атомов углерода в молекуле. В бензинах встречаются углеводороды с числом атомов углерода до 12, в дизельных топливах — до 30, в тяжелых дизельных топливах — до 70 и выше.

Разнообразие свойств углеводородов в каждой группе обусловлено их молекулярной массой и структурой молекул. С ростом молекулярной массы повышаются плотность, вязкость, а также температура плавления и кипения углеводорода. Определение количества отдельных углеводородов, входящих в состав топлива, представляет собой весьма сложную задачу. В большинстве случаев ограничиваются групповым химическим и элементарным составом топлива.

Групповой химический состав характеризует процентное содержание в топливе углеводородов различных групп, определяющих его физико-химические и эксплуатационные свойства.

Элементарный состав показывает содержание в топливе отдельных элементов. Нефтяное жидкое топливо состоит в основном из углерода С (85…87%), водорода Н (12,5… 14,7%) и относительно небольшого объема кислорода О (0…0.5%). Иногда в топливе содержатся сера S (2…5%) и азот N.

В приведенной выше формуле коэффициенты, которые стоят перед массовыми долями элементов, не равны теплоте сгорания этих элементов.

Конструкция двигателя и организация его рабочего процесса должны быть такими, чтобы при эксплуатации топливо, обладающее определенными физико-химическими свойствами, использовалось наиболее эффективно.

Физико-химические и эксплуатационные свойства топлива характеризуются оценочными показателями, которые определены государственными стандартами. Одни из этих показателей влияют на протекание рабочего цикла двигателя и надежность его работы, другие определяют возможность применения топлива в различных климатических условиях эксплуатации.

В двигателях должны использоваться топлива тех сортов, которые рекомендованы его заводом-изготовителем, что необходимо для обеспечения их длительной и надежной работы с высокими эффективными показателями. Использование топлива с другими свойствами может привести к ухудшению показателей работы двигателя: снижению мощности, повышению удельного расхода топлива, чрезмерной дымности и токсичности продуктов сгорания, увеличению шума при работе и уменьшению надежности.

На протекание рабочего процесса в зависимости от вида двигателя существенно влияют отклонения установленных по стандарту таких основных показателей качества жидких топлив, как их фракционный и групповой химический состав.

Бензины. Использование легко испаряющихся и хорошо перемешиваемых с воздухом при обычных условиях бензиновых фракций в качестве топлива вызвало необходимость применения в двигателях внешнего смесеобразования и принудительного воспламенения горючей смеси. Для фракционного состава бензинов наиболее характерны температуры перегонки 10, 50 и 90% топлива, а также температуры начала и конца его перегонки.

В зимних видах бензина могут содержаться растворимые газообразные углеводороды с числом атомов углерода в молекуле меньше 5, которые предназначены для улучшения пусковых свойств двигателя при низкой температуре окружающего воздуха.

Температуры начала перегонки и перегонки 10% топлива наряду с давлением насыщенных паров характеризуют содержание углеводородов, кипящих при низкой температуре. Эти углеводороды определяют возможность получения горючей смеси, обеспечивающей пуск двигателя при низкой температуре окружающей среды. Бензины с низкими температурами начала перегонки 10 % топлива и с большими давлениями насыщенных паров обладают лучшими пусковыми качествами.

Температура перегонки 50% топлива характеризует содержание углеводородов, определяющих равномерное количественное и качественное распределение горючей смеси по цилиндрам двигателя. При работе двигателя на бензине с низкой температурой перегонки 50 % топлива требуется меньше времени на прогрев двигателя, достигается более равномерное распределение нагрузки по цилиндрам и улучшаются динамические свойства двигателя.

Температуры перегонки 90% и конца кипения топлива характеризуют допустимое содержание в бензинах углеводородов, кипящих при высокой температуре. Эти углеводороды могут полностью не испариться к концу зарядки цилиндра. Чем выше температура, тем больше в цилиндр попадает топлива в жидкой фазе. Часть ее проникает через замки поршневых колец в картер, создавая в местах протекания условия для повышенного износа цилиндра и поршня и снижая вязкость смазочного масла. Оставшаяся в цилиндре неиспа-рившаяся жидкая фаза сгорает не полностью, вследствие чего увеличиваются удельный эффективный расход топлива, дымность и токсичность выпускных газов, а возрастают отложения нагара в камере сгорания.

Давление насыщенных паров бензина влияет не только на его пусковые свойства при низкой температуре окружающей среды, но и на работу двигателя в случае нагрева бензина в системе питания. Во время работы двигателя в условиях жаркого климата температура бензина в системе питания в среднем на 20…30 °С выше температуры окружающего воздуха. При чрезмерном повышении температуры из бензина выделяются пары углеводородов, кипящих при низкой температуре. Эти пары с воздухом, который в небольших концентрациях находится в топливе, образуют паровоздушные пузырьки. В результате горючая смесь, поступающая в цилиндры двигателя, будет содержать меньшую массовую долю топлива (обедненная смесь) и может выйти за концентрационные пределы распространения пламени, а следовательно, привести к останову двигателя. В зависимости от климатических условий эксплуатации двигателя используют бензины с различным фракционным составом и давлением насыщенных паров, обеспечивающие надежный пуск и предотвращающие останов двигателя из-за образования паровоздушных пузырьков в системе питания.

Групповой химический состав бензинов определяет допустимую степень сжатия двигателя, при которой сгорание горючей смеси в цилиндре протекает нормально.

Давление насыщенных паров — давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при определенных соотношениях жидкой и паровой фаз и данной температуре; оно зависит от температуры и давления жидкости. Давление насыщенных паров бензина, кПа, не более: летнего вида 66,7 зимнего вида 93,3

При несоответствии группового состава бензина и степени сжатия нарушается нормальное сгорание; оно становится детонационным с возникновением ударных волн в камере сгорания. Работа двигателя с детонацией недопустима, так как связана с перегревом двигателя, падением мощности, ухудшением экономичности, металлическими стуками в цилиндре и появлением сажи в выпускных газах. При длительной работе двигателя с детонацией возможно прогорание поршней и клапанов, а также разрушение подшипников.

Наименее склонны к детонационному сгоранию ароматические и изопарафиновые углеводороды, наиболее склонны — нормальные парафиновые углеводороды; нафтеновые и олефиновые углеводороды по этому свойству занимают промежуточное положение. Соотношение между углеводородами указанных групп в бензинах меняется в широких пределах и их детонационная стойкость различна.

Детонационная стойкость бензинов определяется на специальном двигателе при стандартных условиях испытания. Наибольшей детонационной стойкостью среди углеводородов обладает изооктан (его стойкость принимается за 100 единиц), наименьшей — нормальный гептан (его стойкость принимается равной нулю). Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, т. е. процентным (по объему) содержанием изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, например, если исследуемое топливо при испытаниях детонирует так же, как смесь, содержащая 76 % изооктана и 24 % нормального гептана, то октановое число такого топлива равно 76. Чем больше октановое число топлива, тем выше максимально допустимая степень сжатия, при которой топливо будет сгорать без детонации.

Октановое число бензина определяется двумя методами: моторным и исследовательским. Октановое число, полученное моторным методом, характеризует детонационную стойкость бензинов при использовании их в двигателях, длительно работающих на номинальных нагрузочных и тепловых режимах. Октановое число, определенное исследовательским методом, характеризует детонационную стойкость бензинов при использовании их в двигателях, работающих в условиях неустановившихся режимов (движение автомобилей в городских условиях).

Октановое число, определенное исследовательским методом, выше октанового числа, установленного моторным методом. Разность этих октановых чисел — чувствительность бензина — используется как дополнительный показатель его детонационной стойкости при различных режимах работы двигателя. Чем выше чувствительность бензина, тем лучше его детонационная стойкость при работе двигателя на неустановившихся режимах. Чувствительность бензина зависит от его группового состава. Наибольшей чувствительностью обладают олефиновые и ароматические углеводороды, наименьшей — парафиновые углеводороды; нафтеновые углеводороды по чувствительности занимают промежуточное положение. Чувствительность автомобильных бензинов изменяется в пределах 2…12 единиц.

Детонационная стойкость топлива положена в основу классификации автомобильных (А) бензинов. В марке автомобильного бензина указывается октановое число, определенное моторным методом (А-72, А-76) или исследовательским (И) методом (АИ-93, АИ-98).

Изоктан — углеводород парафиновой группы: плотность 0,692 г/см3; октановое число 100; температура кипения 99,23 °С; теплота сгорания 44,6 МДж/кг.

Гептан — углеводород парафиновой группы: плотность 0,684 г/см3; октановое число 0; температура кипения 98,4 °С; теплота сгорания 44,8 МДж/кг.

Различные бензины имеют октановые числа 70… 100. Октановое число топлив, имеющих детонационную стойкость лучшую, чем у изооктана, оценивают по условной шкале октановых’чисел; при этом за эталон принимают смесь изооктана с 1,59 мг/л тетраэтилсвинца, для которой октановое число равно 120.

Дизельные топлива. Фракции продуктов переработки нефти, выкипающие до 390 °С, используются в качестве моторного топлива в двигателях с внутренним смесеобразованием и воспламенением горючей смеси от нагретого высоким сжатием воздуха (дизелях).

Процесс смесеобразования в дизелях в значительной степени предопределяет протекание рабочего процесса в целом, его эффективность и экономичность. Большое влияние на протекание процесса смесеобразования оказывают вязкость и фракционный состав дизельного топлива.

Отклонение вязкости дизельного топлива от установленной для данного двигателя вызывает изменение цикловой подачи топлива и фаз впрыскивания (начала, конца и продолжительности подачи топлива). При увеличении вязкости (при том же положении регулирующего органа) повышается расход впрыскиваемого топлива вследствие уменьшения утечек его через зазоры плунжерной пары в ходе нагнета

ния. Одновременно возрастает угол опережения впрыскивания топлива. Кроме того, с повышением вязкости ухудшается качество распыливания топлива, увеличиваются неоднородность размеров и средний диаметр капель, а также глубина проникновения факела распыленного топлива в воздушный заряд цилиндра; угол конуса топливного факела уменьшается. Особенно чувствительны к изменению вязкости топлива двигатели с неразделенными камерами сгорания, форма и размеры которых согласованы с формой и направлением факелов топлива.

Фракционный состав дизельных топлив оценивают теми же характерными температурами перегонки фракций, что и бензинов.

Температура перегонки 10% топлива характеризует содержание углеводородов, легко испаряющихся в условиях цилиндра двигателя. Чрезмерное содержание легко-испаряющихся углеводородов увеличивает интенсивность испарения распыленного топлива и массы подготовленной к воспламенению горючей смеси, что вызывает повышение скорости нарастания давления газов в цилиндре. Работа двигателя при этом сопровождается повышенным механическим шумом, вибрациями и интенсивным износом деталей.

Для повышения детонационной стойкости бензинов к ним добавляют этиловую жидкость не более 3…4 мл на 1 кг топлива, состоящую из смеси тетраэтилсвинца с бромистыми и хлористыми соединениями. Этилированные бензины ядовиты. Содержание этиловой жидкости можно оценить по цвету окраски бензина: А-76 — желтый; АИ-93 — оранжево-красный; АИ-93 — синий. Применение этилированных бензинов с экологической точки зрения нежелательно. Для повышения детонационной стойкости неэтилированных бензинов в них вводят в качестве компонентов высокооктановые кислородосодержащие соединения (спирты и эфиры, воду).

Дизельные топлива являются одновременно смазочным материалом для движущихся деталей топливной аппаратуры высокого давления. Для предотвращения чрезмерного износа трущихся пар необходимо применять топливо с определенной минимальной вязкостью.

Температура перегонки 50% дизельного топлива характеризует равномерность распределения углеводородов, полностью испаряющихся в процессе смесеобразования.

Температура перегонки 90% топлива характеризует содержание в дизельном топливе трудноиспаряющихся углеводородов.

При чрезмерном содержании в топливе трудноиспаряющихся углеводородов уменьшается скорость испарения распыленного топлива, что может привести к неполному испарению отдельных капель жидкого топлива и неполноте их сгорания; при этом мощность и экономичность двигателя понижаются, увеличиваются отложение нагара в камере сгорания, дымность и токсичность выпускных газов.

Фракционный состав топлива особенно большое значение имеет для высокооборотных двигателей с неразделенными камерами сгорания.

Склонность к воспламенению является одним из важнейших показателей качества топлив для дизелей. От нее зависит длительность периода от начала впрыскивания топлива в цилиндр до момента начала подъема давления в нем в результате выделения теплоты при горении топлива — период задержки воспламенения. Топлива с большой склонностью к воспламенению обеспечивают более благоприятное протекание процесса сгорания без резкого повышения давления и появления в связи с этим стуков в цилиндре. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химического состава. Наибольшей склонностью к воспламенению обладают углеводороды нормального парафинового ряда (воспламеняемость цетана принимается за 100 единиц), наименьшей — углеводороды ароматического ряда (воспламеняемость альфа-метилнафталина—0 единиц); нафтеновые углеводороды по этому свойству занимают промежуточное положение.

Склонность к воспламенению дизельных топлив оценивают цетановым числом, которое определяют на специальном двигателе при стандартных условиях испытания. Цетановым числом называется процентное (по объему) содержание цетана в смеси с альфа-метилнафталином, которая имеет такую же склонность к воспламенению, как данное топливо. Например, если исследуемое топливо имеет такую же склонность к воспламенению, как смесь, содержащая 45 % цетана и 55 % альфа-метилнафталина, то его цетановое число равно 45. При недостаточном цетановом числе топлива возрастает период задержки воспламенения, в течение которого происходит подготовка топлива к сгоранию. Увеличение подготовленной к сгоранию рабочей смеси может вызвать, так же как и наличие более легких фракций, нежелательное повышение скорости нарастания давления в цилиндре и шума при работе двигателя.

Чрезмерное уменьшение периода задержки воспламенения вследствие увеличения цетанового числа топлива также нецелесообразно, так как в этом случае воспламенение топлива происходит до распределения капель топлива в воздушном заряде, что приводит к росту неполноты сгорания. В связи с этим цетановые числа топлив составляют 40…55 единиц.

Возможность применения дизельных топлив в различных климатических условиях характеризуется температурой кристаллизации, при которой выпадающие из топлива кристаллы растворенных парафиновых углеводородов, имеющих высокую температуру кипения, затрудняют его подачу из бака через фильтры к форсунке, либо температурой застывания, при которой во всем объеме топлива образуется кристаллический каркас, препятствующий движению жидких углеводородов.

Топливо для дизелей, эксплуатирующихся при температуре окружающего воздуха от О °С и выше, обозначают буквой Л (летнее), от —20 °С и выше — буквой 3 (зимнее), от — 50 °С и выше—буквой А (арктическое). В маркировке топлива указывают также допустимую массовую долю серы, %. В обозначение дополнительно вводят для летнего топлива температуру вспышки, характеризующую его пожарную безопасность, а для зимнего топлива — температуру застывания. Например, марка Л-0,2-40 означает, что топливо летнее, с массовой долей серы до 0,2 % и температурой вспышки 40 °С, а марка 3-0,2-35 — что топливо зимнее, с массовой долей серы до 0,2 % и температурой застывания — 35°С. Для арктического топлива указывают только допустимую массовую долю серы А-0,4.

Тяжелое дизельное топливо. Тяжелые сорта дизельных топлив содержат наибольшее количество высококипящих фракций, обладают наибольшей плотностью, вязкостью, температурой застывания. Для них также характерно повышенное содержание серы, воды, механических примесей.

Процессы смесеобразования и сгорания в среднеоборотных и малооборотных дизелях проходят в течение достаточно длительного времени. Поэтому для тяжелых сортов топлив не регламентируют фракционный состав и цетановое число.

Моторное топливо ДТ (дизельное тихоходное) используют в среднеоборотных и малооборотных дизелях. Наиболее тяжелые сорта дизельных топлив ДМ (мазуты) используют в судовых малооборотных дизелях после предварительной их подготовки непосредственно в судовых условиях. Топливоподготовка включает в себя подогрев, гомогенизацию и очистку топлива. Подогрев (до 50…90 °С) снижает вязкость топлива до значений, обеспечивающих прокачивание топлива через систему топ-ливоподачи, фильтрацию и качественное его распыливание форсунками. Гомогенизация топлива обеспечивает однородность его состава. При очистке из топлива удаляют твердые частицы механических примесей и воду.

В качестве газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания применяются природные газы, попутные газы, выделяющиеся при добыче и переработке нефти.

С целью увеличения ресурсов дизельных топлив, используемых в автотракторных дизелях, разработаны топлива расширенного фракционного состава. Эти топлива состоят из бензиновых фракций, выкипающих при 62…180°С, и дизельных фракций, конец процесса кипения которых ограничивается в зависимости от климатических условий и времени года применения топлив.

В местах добычи природного газа в качестве жидкого моторного топлива применяют стабилизированный газовый конденсат, фракции которого по своим физико-химическим свойствам соответствуют фракциям, входящим в состав бензинов и дизельных топлив.