8.2 Требования к моторному топливу и его показатели оценки

К топливам двигателей сриамоходных машин предъявляют следующие требования:

1. достаточно большая энергоёмкость, как массовая (МДж/кг), так и объёмная (МДж/л);

2. стабильность параметров при длительном хранении;

3. хорошая испаряемость и смешиваемость (диффузионность) с воздухом;

4. низкая коррозионная активность с материалами топливной аппаратуры и других систем и механизмов ДВС;

5. минимизация образования смолистых отложений и паровых пробок в топливной аппаратуре;

6. для двигателей с принудительным воспламенением - не детонировать, то есть не воспламеняться при высокой степени сжатия;

7. для двигателей с самовоспламенением - легко воспламеняться при температурах выше 300 С.

Основным показателем бензина является его октановое число (ОЧ). Оно характеризует антидетонационные свойства топлива. Чем выше октановое число, тем большую степень сжатия  и степень повышения давления наддува _к допускает бензовоздушная смесь. ОЧ показывает, что антидетонационные свойства данной марки бензина эквивалентны смеси изооктана iC₈H₁₈ с гептаном C₇H₁₆ при содержании данного количества изооктана. Октановое число изооктана принято равным 100 единиц, то есть его смесь с воздухом допускает весьма сильное сжатие без детонации. У гептана октановое число равно нулю, то есть при малейшем сжатии он воспламеняется. Существуют топлива, у которых ОЧ > 100. Это говорит о том, что их антидетонационные свойства выше, чем у чистого изооктана.

Определяют октановое число автобензина двумя методами:

1) Моторным (такой бензин обозначается буквой а с числом, которое показывает октановое число, то есть процентное содержание изооктана в смеси с гептаном эквивалентной данному бензину, например, а-76);

2) Исследовательским (обозначается двумя буквами аи, например, аи-93).

И в первом, и во втором случае испытания топлива осуществляются на специальном одноцилиндровом двигателе, где имеется возможность изменять степень сжатия. При моторном методе эксперимент проводится на фиксированном скоростном и нагрузочном режиме. А при исследовательском методе осуществляется разгон мотора. При этом от опыта к опыту увеличивается степень сжатия. Как только начинается детонация, двигатель переводят работать на изооктан-гептановую смесь. При этом изменяется концентрация изооктана до тех пор, пока работа двигателя не станет эквивалентной работе на данном бензине. Октановое число по исследовательскому методу получается несколько завышенным - примерно на 8 единиц.

Для повышения ОЧ необходимо уменьшать содержание в бензине нормальных алканов, либо добавлять специальные антидетонационные присадки. До недавнего времени в качестве таковой широко применялся тетраэтилсвинец. Однако в последнее время в ряде стран и регионов эта присадка запрещена, ввиду неблагоприятной экологической обстановки.

Способность топлива к самовоспламенению в условиях цилиндра ДВС оценивают с помощью цетанового числа (ЦЧ). Дизельное топливо с данным цетановым числом по своим свойствам воспламеняться от сжатия эквивалентно смеси цетана C₁₆H₃₄ с -метилнафталином C₁₁H₁₀, в котором имеется данная концентрация цетана. ЦЧ цетана принято за 100 единиц, то есть его смесь с воздухом очень легко воспламеняется от сжатия. А ЦЧ -метилнафталина принято нулевым, то есть его воздушная смесь совершенно не воспламеняется при сжатии.

В зависимости от концентрации в топливе лёгких компонентов оно может иметь различную вязкость. Поэтому, например, дизтопливо делят на летнее (с вязкостью около 2 мм²/с при 100 С), зимнее, арктическое и специальное. Тем не менее для того, чтобы не изменять в эксплуатации регулировки топливной аппаратуры дизелей, цетановое число любой марки товарного дизтоплива примерно одинаково и составляет 45 ... 50 единиц. Для повышения ЦЧ применяют различные присадки (нитраты и перекиси).

Связь октанового и цетанового числа любого топлива можно определить с помощью приближённой зависимости

ЦЧ = (120 - ОЧ) / 2. (9.1)

Анализ (3.54) показывает, что при повышении октанового числа топлива его цетановое число уменьшается.

Оценку воспламеняемости топлива в условиях цилиндра ДВС осуществляют с помощью температуры самовоспламенения T_св - это такая наименьшая температура, при которой смесь паров топлива с воздухом воспламеняется без постороннего источника. Самые низкие температуры самовоспламенения у парафинов, несколько выше у олефинов. Далее идут нафтены. И самые высокие температуры самовоспламенения у ароматиков. Например, бензин А-72, где много ароматиков, имеет температуру самовоспламенения 330 С, у летнего дизельного топлива T_св = 310 С, у зимнего дизтоплива, где преобладают алканы, T_св = 240 С.

Энергия активации E является показателем химической активности топлива. Это такая энергия, которую необходимо сообщить (нагреть) смеси топлива с окислителем, чтобы началось горение, то есть реакция интенсивного окисления (со свечением и выделением тепла). В реакциях между молекулами углеводородного топлива и кислородом E  126 кДж/кмоль, а между радикалами (осколками) этих молекул данная энергия значительно ниже E  16 кДж/кмоль.

Теплота сгорания топлива или, что то же самое, теплотворная способность топлива - это количество тепловой энергии, которая выделяется при сгорании его единицы массы или объёма. Различают высшую H₀ и низшую H_u теплоту сгорания топлива. Высшая теплота сгорания - это полное количество тепловой энергии при сгорании топлива. Например, для бензина среднего состава H₀  80 МДж/кг. Низшая теплота сгорания H_u не учитывает теплоту конденсации водяных паров продуктов сгорания, то есть теплоту, выделяющуюся ниже 100 С. В связи с тем, что отработавшие газы выходят из цилиндра ДВС при температуре значительно выше 100 С, для оценки топлив двигателей самоходных машин используют только H_u , которую можно оценить по формуле Менделеева Д.И.

H_u  34C + 103H – 11(O – S) + 2,5H₂O, МДж/кг, (9.2)

где C, H, O, S, H₂O - массовое содержание углерода, водорода, кислорода, серы и водяных паров в продуктах сгорания.

Следующая таблица даёт возможность сравнить H_u различных моторных топлив.

Таблица 9.3. Низшая теплота сгорания топлива ДВС

Вид	Жидкие, МДж/кг		Газообразные, МДж/м^3
топлива	Бензин	Дизтопливо	Метан	Пропан	Бутан
Hu	44,0	42,5	35,0	85,5	112

Следует различать теплоту сгорания топлива и теплоту сгорания конкретной топливовоздушной смеси H₁. На теплоту сгорания топливовоздушной смеси существенное влияние оказывает качество этой смеси, то есть концентрация в ней топлива.

Для оценки пожарной безопасности жидкого топлива используют такие характеристики, как: температура вспышки - это наименьшая температура, при которой над поверхностью топлива его смесь с воздухом может воспламениться от постороннего источника тепла; температура воспламенения - это наиболее низкая температура, при которой смесь паров топлива с воздухом воспламеняется от постороннего источника тепла и продолжает гореть вследствие испарения топлива.