характеристики Дт, качество, воспламеняемость, фракционный состав, температуры помутнения и застывания, коксуемость топлива

Дизельное топливо предназначено для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от сжатия (дизелей). Представляет смесь углеводородов керосиновой, газойлевой и соляровой фракций, получаемых в результате перегонки нефти, с температурой кипения 180-360°С и плотностью 0,79-0,86 г/см3.

Качество дизельного топлива

Важнейшими эксплуатационными показателями качества дизельных топлив являются воспламеняемость, фракционный состав, температуры помутнения и застывания, коксуемость и т.п.

Воспламеняемость

Воспламеняемость — важнейшее свойство дизельного топлива. Определяется периодом задержки самовоспламенения (ПЗС), который складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешение паров топлива с воздухом (физическая составляющая), и времени, необходимого для завершения химических реакций и формирования очагов самовоспламенения (химическая составляющая). Температура самовоспламенения — наименьшая температура, при которой топливо самовоспламеняется без открытого источника огня. Чем ниже температура самовоспламенения дизельного топлива, тем меньше период задержки воспламенения (ПЗВ), тем равномернее процесс сгорания и мягче работа двигателя. Процессу самовоспламенения горючей смеси в дизеле предшествует интервал времени — период задержки воспламенения, который продолжается от начала подачи топлива в камеру сгорания (КС) до момента его воспламенения. За время ПЗВ происходит целый ряд физико-химических процессов: распыление топлива, перемешивание его с воздухом, нагревание до температуры сжатого воздуха и испарение. Одновременно с этими процессами протекают сложные химические реакции многостадийного окисления углеводородов. В горючей смеси образуются неустойчивые кислородосодержащие соединения, альдегиды и т.п., которые затем распадаются. Распад сопровождается выделением части (10-15%) тепла и слабым холодным голубым свечением. В результате предпламенных реакций выделяется теплота, повышается температура горючей смеси, увеличивается скорость химических реакций, холоднопламенный процесс переходит в горючепламенный, происходят самовоспламенение и горение топлива.

Дизельное топливо состоит в основном из парафиновых (П), нафтеновых (Н) и ароматических (А) углеводородов. Наиболее склонны к окислению и самовоспламенению парафиновые углеводороды. Наиболее устойчивые к окислению ароматические углеводороды. Если ПЗВ слишком велик, то смесь воспламеняется с опозданием, при этом в цилиндре дизеля накапливается и воспламеняется большая порция топлива. Это вызывает резкое нарастание давления, возникают стуки, т. е. дизель работает «жестко», увеличиваются износ деталей, прорыв газов в картер двигателя, расход топлива и др.

Оценкой самовоспламеняемости топлива в дизеле является цетановое число (ЦЧ), зависящее главным образом от химического состава топлива. Значение ЦЧ дизельного топлива равно содержанию цетана (в процентах от объема) в смеси с альфаметилнафталином, эквивалентной по воспламеняемости испытуемому топливу. Моторный метод определения ЦЧ дизельного топлива по методу совпадения вспышек проводится на специальной дизельной одноцилиндровой установке ИТ9-3 или ИТ9-3М с переменной степенью сжатия при стандартных условиях (ГОСТ 3122-67).

Испытание заключается в сравнении самовоспламеняемости испытуемого дизельного топлива и эталонного. Подбирают смесь соответствующего состава до тех пор, пока воспламеняемость испытуемого топлива не совпадет с известной для эталонного.

Фракционный состав

Фракционный состав наряду с цетановым числом является одним из наиболее важных показателей качества дизельного топлива. Он оказывает влияние на расход топлива, дымность выпуска, легкость пуска двигателя, износ трущихся деталей, нагарообразование и закоксовывание форсунок, пригорание поршневых колец. Влияние фракционного состава топлива на рабочий процесс дизеля во многом зависит от типа смесеобразования в двигателе. Чем выше давление, температура и интенсивность вихревого движения заряда в камере сгорания двигателя, тем меньше сказывается влияние фракционного состава топлива на процесс сгорания. Для быстроходных дизелей требуется топливо более легкого фракционного состава, чем для тихоходных.

О фракционном составе дизельного топлива судят по результатам перегонки топлива, осуществляемой в лабораторных условиях на стандартной аппаратуре. Наиболее важными точками фракционного состава являются значения температуры выкипания 10, 50, 90 и 96% топлива. Температура выкипания 10% топлива характеризует наличие легких фракций топлива, которые определяют его пусковые свойства. За температуру начала кипения (tн.к) принимают температуру пара, при которой в холодильник стандартного прибора падает первая капля конденсата. Для нормального запуска холодного двигателя необходимо, чтобы температура выкипания 10% топлива была не выше 140-160°С. Температура выкипания 50% топлива (средняя испаряемость) характеризует рабочие фракции топлива, которые обеспечивают прогрев, приемистость и устойчивость работы двигателя, а также плавность перехода с одного режима на другой. Для обеспечения нормальной работы двигателя эта точка должна лежать в пределах 250-280°С. Полнота испарения топлива в двигателе характеризуется температурой выкипания 90% и 96% топлива. При слишком высоких значениях этих температур хвостовые фракции не успевают испаряться, они остаются в жидкой фазе в виде капель и пленки, которые, стекая по стенкам цилиндра, приводят к повышенному нагарообразованию, разжижению масла и форсированному износу.

Температура выкипания 90% для летних топлив обычно находится в пределах 320-340°С, а 96% — в пределах 340-360°С.

Температуры помутнения и застывания

Важными эксплуатационными характеристиками дизельного топлива также являются его низкотемпературные свойства, характеризующие подвижность топлива при отрицательной температуре. В дизельном топливе содержатся растворенные парафиновые углеводороды, которые при понижении температуры кристаллизуются. Низкотемпературные свойства оцениваются по значениям температуры помутнения и застывания.

Температура помутнения — это температура, при которой меняется фазовый состав топлива, так как наряду с жидкой фазой появляется твердая. При этой температуре топливо в условиях испытания начинает мутнеть. При помутнении дизельное топливо не теряет текучести. Размеры кристаллов таковы, что они проходят через элементы фильтров тонкой очистки, образуя на них тонкую парафинистую пленку. Нарушение подачи топлива из-за его помутнения возможно при пуске и прогреве дизеля.

Для обеспечения нормальной эксплуатации двигателя необходимо, чтобы температура помутнения дизельного топлива была ниже температуры окружающего воздуха.

Температура застывания — это температура, при которой топливо полностью теряет подвижность. Температура застывания ниже температуры помутнения на 5-10°С. При понижении температуры растущие кристаллы парафиновых углеводородов образуют пространственную решетку, внутри ячеек которой находятся жидкие углеводороды топлива. При температуре застывания топлива кристаллическая структура настолько упрочняется, что топливо теряет текучесть и приобретает студнеобразный вид. Для обеспечения нормальной работы дизельного двигателя необходимо, чтобы температура застывания топлива была на 8-12°С ниже температуры окружающего воздуха.

Коксуемость топлива

Одно из важных эксплуатационных свойств дизельного топлива характеризуется чистотой двигателя и топливоподающей аппаратуры. При сгорании топлива в двигателе образуются нагар на стенках камеры сгорания и впускных клапанах, а также отложения на распылителях и иглах распылителей форсунок.

На стенках камеры сгорания, днищах поршней и выпускных клапанах нагар твердый, темного цвета, а на распылителях и иглах распылителей форсунок он мягкий, смолистый, желтоватого цвета, иногда в виде лаковой светло-коричневой пленки. Отложение нагара на стенках камеры сгорания ухудшает отвод теплоты в систему охлаждения двигателя, а на выпускных клапанах приводит к их закоксовыванию и, следовательно, неправильной посадке тарелки клапана на седло. В результате такой неисправности раскаленные газы утекают, и посадочные поверхности клапана и седла обгорают, в отдельных случаях возможно зависание клапана. Нагарообразование в двигателе зависит от следующих показателей применяемого дизельного топлива: коксуемости, содержания фактических смол и серы, фракционного состава, количества непредельных и ароматических углеводородов и зольности.

Коксуемость — это свойство топлива при нагревании без доступа воздуха образовывать углистый осадок — кокс. Коксуемость определяют для 10%-ного остатка после предварительной перегонки дизельного топлива. Коксуемость 10%-ного остатка топлива зависит от его фракционного состава и содержания смолисто-асфальтовых соединений и для дизельного топлива должна быть не более 0,3%. Повышение значения этого показателя вызывает увеличение нагара в двигателе.

Нормативы качества дизельных топлив и тенденции их изменения

Топлива для дизельных двигателей автомобилей вырабатываются в России в основном по ГОСТ 305-82 в виде трех марок: «Л» — летнее, применяемое при температуре воздуха выше 0°С; «3» — зимнее, двух видов: для применения до -20°С и для применения до -30°C; «А» — арктическое, применяемое до -50°С. Топлива характеризуются следующими основными показателями: цетановое число — не менее 45, содержание серы — не менее 0,50 или 0,20% для разных видов, температура застывания от «не менее минус 55» для арктического до «не менее минус 10» для летнего, плотность от «не более 0,830 г/см3» для арктического до «не более 0,860 г/см3» для летнего топлив, содержание полиароматических соединений и смазывающая способность топлив — не нормируются.

В значительно меньших количествах выпускаются дизельные топлива по различным ТУ. Зимние дизельные топлива с депрессорными присадками (ДЗП) по ТУ 38.101889 получают на базе летнего топлива добавлением незначительного количества присадок. Данное топливо рекомендуется к применению при температуре воздуха не ниже -15°С. Обладает недостатком: склонно при охлаждении топлива ниже определенной температуры или при длительном его хранении к осаждению парафинов на дно емкости, что затрудняет его дальнейшее использование. По остальным характеристикам подобно летнему топливу по ГОСТ 305-82. Экологически чистое дизельное топливо по ТУ 38.1011348-2003. По данным ТУ выпускают топлива летнее марки ДЛЭЧ, зимнее марки ДЗЭЧ и арктическое марки ДАЭЧ. В сравнении с ГОСТ 305 характеризуются установлением 5 видов с более низким содержанием серы: от «не более 0,10 массовых %» до «не более 0,001 массовых %». По содержанию серы экологически чистые топлива полностью соответствуют требованиям как действующего, так и будущего европейского стандарта по содержанию серы в дизельных топливах. Городское дизельное топливо (ТУ 38.401 58-170-96). Основное отличие от экологически чистого дизтоплива — улучшенное качество благодаря использованию присадок (летом антидымной, зимой — антидымной и депрессорной), которые снижают дымность и токсичность отработавших газов на 30-50%.

Европейские требования к качеству дизельных топлив более жесткие, чем российские. Так требования EN-590 1993 года отличаются от требований ГОСТ 305-82 более высокими требованиями к цетановому числу «не менее 49». Общемировая тенденция изменения требований к качеству дизельных топлив следующая: увеличение цетанового числа, уменьшение плотности и содержания серы, нормирование полиароматических соединений. С 2000 года в Европе действуют нормы Евро-3, устанавливающие требования по цетановому числу «не менее 51», по сере «не более 0,035 массовых %», плотности «не более 0,845 г/см3» при нормировании содержания полиароматических соединений «не более 11% объёма». Эти требования реализованы и в российских ТУ 38. 40158296. В 2004-5 гг. в Европе вводятся требования Евро-4, дополнительно снижающие норматив по содержанию серы до «не более 0,005 массового %».

 

проблемы и решения – Основные средства

Эта статья родилась из случайного разговора с коллегой, когда прозвучала фраза о том, что по оценкам представителей зарубежных автостроительных компаний при том содержании серы, которым отличается российское топливо, ни один дизель не может пройти больше 600 тыс. км. Но ведь ходят! Мы задумались, и поняли, что здесь все не так просто, как хотелось бы нашему коллеге. И чтобы не плодить домыслы и легенды обратились к специалистам: уже хорошо известному нашим читателям Виктору Давидовичу Резникову и его коллеге по ВНИИ НП, специализирующемуся на топливе, Аркадию Мироновичу Бакалейнику.

Сера и ее соединения в качестве естественной составляющей входят в состав сырой нефти в виде элементарной серы, сероводорода и различных органических соединений (меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и др. ), при этом в более тяжелых погонах нефти серы и сернистых соединений содержится больше, чем в легких. Элементарная сера, сероводород, меркаптаны обладают высокой коррозионной агрессивностью, поэтому в бензинах и дизельных топливах их присутствие не допускали (сера и сероводород) или строго ограничивали (меркаптаны). Общее содержание остальных соединений серы в топливе ограничивают предельной нормой показателя «массовая доля серы». Ужесточение норм по этому показателю требует углубления очистки от серы и, соответственно, дополнительных затрат на производство топлива, повышает его стоимость, сокращает ресурсы. Поэтому в определенном количестве сера присутствует во всех коммерческих топливах.

Напомним, что действующий стандарт делит дизельное топливо на «сернистое» и «малосернистое». В эти термины в разное время вкладывали различный смысл. Когда производители техники совсем не имели или имели минимальные ограничения выбросов вредных веществ, содержание серы нормировали, исходя из возможности обеспечения надежной работы двигателя без существенного снижения его ресурса, но так, чтобы это не уменьшало выход топлива и не повышало его стоимости.

На этом этапе, т.е. в 50-х – 70-х годах, к «сернистому» относили дизельное топливо с содержанием серы около 1,0%, а «малосернистым» считали топливо, в котором ее было не более 0,2%. Главной проблемой при использовании сернистых топлив было увеличение износа деталей цилиндро-поршневой группы дизелей и рост количества отложений на них под действием продуктов сгорания серы. Большая часть этих продуктов (SO2 и SO3) выбрасывается с отработавшими газами в атмосферу, но и то количество SO2 и SO3, которое с парами воды образовывает сернистую и серную кислоты, значительно увеличивает коррозионное изнашивание цилиндров, поршневых колец и других деталей, способствует нагарообразованию, нарушающему теплоотвод от поршня, подвижность поршневых колец, снижающему компрессию.

Для решения этих проблем дизельным маслам с помощью щелочных моющих присадок придали нейтрализующую способность. Присадки практически полностью предотвращают коррозионное изнашивание деталей двигателей и повышенное нагарообразование. При достаточной щелочности масла (около 8 – 10 мг КОН/г) износ комплекта поршневых колец при работе на топливах с содержанием серы 1,0; 0,5 и 0,2% практически одинаков, если смена масла выполняется своевременно. При работе на топливе с высоким содержанием серы щелочное число масла убывает быстрее и пробег до смены масла сокращается.

Сегодня ситуация изменилась. Теперь «сернистым» называют топливо, содержащее 0,2% серы, а в «малосернистом» ее может иметься всего 0,035% и менее. В чем причина таких резких перемен?

В последние годы в связи с остротой проблемы загрязнения окружающей среды от эксплуатации быстро растущего многомиллионного парка автомобилей вводятся все более строгие нормы на выбросы автомобилем токсичных соединений, твердых частиц, других загрязнителей воздуха. Соблюдение этих норм потребовало от производителей техники применения в конструкции автомобилей различных систем управления выбросами (дожигателей, каталитических нейтрализаторов, фильтров и т.д.), а также изменений в организации процесса сгорания, введения рециркуляции отработавших газов, новых систем впрыскивания топлива.

Наличие сернистых соединений в топливе повышает токсичность отработавших газов не только непосредственно – за счет увеличения в них концентрации оксидов серы и твердых частиц, но и опосредованно – за счет снижения эффективности и надежности работы современных систем управления составом отработавших газов. Поэтому в настоящее время наряду с разработкой и производством техники, отвечающей новым стандартам на выбросы вредных веществ, постепенно вводятся более строгие ограничения на содержание серы в автомобильных топливах.

Дизельные топлива в России в настоящее время вырабатывают по ГОСТ 305-82 и по более тридцати техническим условиям (ТУ). По этим документам дизельные топлива производятся не только для автотранспорта, но также для сельскохозяйственной техники, строительных и дорожных машин, тепловозов, судов и т.д. В соответствии с ГОСТ 305-82 сейчас в России вырабатывается 80 – 85%, т.е. основной объем дизельного топлива. Уровень содержания серы в 0,2% можно считать для России базовым. В дизельном топливе вида 2 по этому стандарту допускается даже содержание серы до 0,5%. Однако эта норма пересматривается в сторону ужесточения в отношении содержания серы, вводится также топливо с предельным содержанием в 0,05%.

Для использования в крупных городах или регионах со сложной экологической обстановкой разработаны технические условия на дизтопливо с улучшенными экологическими свойствами – городское (ТУ 38.401-58-170-96) с содержанием серы не более 0,05% и «экологически чистые» топлива (ТУ 38.1011348-99), предусматривающие среди прочих ограничений выпуск топлива с содержанием серы не более 0,035%.

С 1 ноября 2001 г. утверждены и введены в действие ТУ 38.401-58-296-2001 «Топливо дизельное автомобильное. Технические условия», разработанные на базе аутентичного перевода EN-590-2000 с нормой содержания серы не более 0,035%, для автомобилей, соответствующих требованиям Euro-3. К 2003 – 2005 гг. намечается гармонизация отечественных стандартов на бензин и дизельное топливо с европейскими требованиями для автомобилей уровня Euro-3. Это означает ограничение содержания серы в бензинах до 0,015%, а в дизельном топливе до 0,035%. Но введение подобных стандартов не будет означать одновременный переход на новые требования: процесс продолжится не менее 5 лет. В этот период будут одновременно действовать «старые» и «новые» требования.

Дизельные топлива с содержанием серы меньше 0,035% имеют худшие смазывающие свойства. Их применение приводит к существенному увеличению износа плунжеров насоса высокого давления и снижению срока безотказной работы других агрегатов топливной аппаратуры. Стал необходимым ввод в топлива присадок, улучшающих их смазывающие свойства. В России такие присадки пока еще серийно не производятся. И это не единственная проблема, связанная с переходом на новые стандарты.

К сожалению, на наших АЗС до сих пор не организован раздельный сбыт дизельных топлив разных марок, отличающихся по содержанию в них серы и другим показателям, характеризующим их экологичность. Эта актуальная задача должна быть решена, так как смешение топлив в одной емкости АЗС приводит к ухудшению качества экологичных сортов. Но это уже вопрос реформирования инфраструктуры, которое потребует немалого времени.

Знайте содержание серы в вашем дизельном топливе

Знайте содержание серы в вашем дизельном топливе

Магазин не будет работать корректно в случае, если куки отключены.

Возможно, в вашем браузере отключен JavaScript. Для максимально удобной работы с нашим сайтом обязательно включите Javascript в своем браузере.

Перейти к меню содержимого

Поиск

Поиск

Учетная запись

Статьи

Содержание серы значительно снизилось за последние месяцы, и очень важно знать содержание серы в топливе, которое вы используете в своих дизельных двигателях на ферме.

Перейти в конец галереи изображений

Перейти в начало галереи изображений

До 1993 года допустимое содержание серы в дизельном топливе составляло 5000 частей на миллион (ppm). С 1993 года до начала этого года допустимое содержание серы составляло 500 частей на миллион. Однако требование сверхнизкого содержания серы было введено в июне 2006 года, что означает, что содержание серы не должно превышать 15 частей на миллион в топливе для «дорожных» транспортных средств. Правительство требует использования топлива со сверхнизким содержанием серы для снижения концентрации соединений серы в окружающей среде. Однако при уменьшении содержания серы в дизельном топливе смазывающая способность топлива значительно снижается. Смазывающая способность топлива — это способность топлива обеспечивать смазку для уменьшения износа между движущимися частями дизельного инжекторного насоса и топливными форсунками.

Топливо, используемое для «внедорожных» функций (таких как ферма, строительство и лесное хозяйство), освобождается от требований по сверхнизкому содержанию серы, по крайней мере, в настоящее время. Вы все еще можете легально использовать топливо с низким содержанием серы (500 частей на миллион серы), но проблема в том, что не все поставщики топлива несут как «дорожное» (15 частей на миллион), так и «внедорожное» (500 частей на миллион) дизельное топливо. топливо.

Как узнать содержание серы в доставляемом вам топливе?

Единственный способ узнать содержание серы в топливе – обратиться к поставщику топлива. Если ваш поставщик не знает, настаивайте на том, чтобы он узнал и проинформировал вас. Если ваш текущий поставщик топлива может доставлять дизельное топливо только «на дороге» в ваш фермерский резервуар, у вас есть три альтернативы:

1. Попросите поставщика проверить, добавлено ли в ваше топливо смазывающее вещество.
2. Самостоятельно добавляйте смазывающий агент в топливо со сверхнизким содержанием серы, чтобы обеспечить защиту, необходимую для ваших дизельных двигателей.
3. Найти поставщика, который доставит «внедорожное» дизельное топливо. Многие различные смазочные материалы доступны в крупных магазинах, а также в магазинах автозапчастей, но они могут быть довольно дорогими. Более экономичным подходом является использование биодизеля. Биодизель практически не содержит серы, но обладает превосходными смазывающими свойствами. Используя только смесь B1 (1 процент биодизеля с 99-процентное обычное дизельное топливо) улучшает смазывающую способность дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы на целых 65 процентов.

Биодизель становится все более доступным во многих штатах. Чтобы получить актуальную информацию о том, где он доступен в Пенсильвании, посетите Национальный совет по биодизелю и нажмите «Руководство по покупке биодизеля». Затем под заголовком «Дистрибьюторы» нажмите «Нажмите здесь, чтобы открыть национальную карту дистрибьюторов биодизеля». Затем нажмите «Пенсильвания» на карте. Убедитесь, что вы покупаете биодизель, а не просто сырое, необработанное растительное масло. Попросите дистрибьютора предоставить сертификат соответствия биодизельного топлива стандартам ASTM D6751.

Персонализация ваш опыт работы с Penn State Extension и будьте в курсе новейшее в сельском хозяйстве.

Информационный бюллетень

Подпишитесь на нашу новостную рассылку:

Для входа требуется адрес электронной почты

Что такое дизельное топливо и как дизельное топливо производится из сырой нефти на нефтеперерабатывающем заводе

«Что такое дизельное топливо?» это вопрос с двумя ответами, один очень короткий, а другой очень длинный. Короткий ответ: углеводороды. Углеводороды, как следует из названия, представляют собой молекулы, состоящие из водородных и углеродных атомных связей. Углеводороды являются компонентами любого ископаемого топлива и биотоплива, что делает их ценными. Углеводороды — это молекулы ископаемого топлива и биотоплива, которые воспламеняются, сгорают, горят, взрываются и т. д. 

На молекулярном уровне ископаемое топливо — это просто углеводороды и загрязнители. Биотопливо также представляет собой углеводороды на элементарном уровне. Итак, дизель — это просто комбинация разных углеводородов. Именно смесь углеводородов — соотношение различных углеводородов — делает дизель уникальным ископаемым топливом.

Более важным, чем вопрос о том, что входит в состав дизельного топлива, является вопрос о том, какие углеводороды содержатся в дизельном топливе и в какой комбинации.

Классы углеводородов определяют типы ископаемого топлива и биотоплива

Так же, как существуют разные виды ископаемого топлива и биотоплива, существуют разные категории, классы и типы углеводородов. Категории, классы и типы углеводородов определяют тип топлива — дизельное топливо, бензин, природный газ, керосин и т. д. — а также различные виды биотоплива.

Существует две категории углеводородов ископаемого топлива: насыщенные и ненасыщенные. И есть четыре типа классов углеводородов, два в категории насыщенных и два в категории ненасыщенных. Технический документ Chevron.com Технический обзор дизельного топлива выделяет четыре класса: «Существует четыре основных класса углеводородов: парафины, нафтены, олефины и ароматические углеводороды. Каждый класс представляет собой семейство отдельных молекул углеводородов, которые имеют общие структурные особенности, но различаются по размеру (количеству атомов углерода) или геометрии. Классы также различаются соотношением атомов водорода и углерода и тем, как атомы углерода связаны друг с другом».

Олефины, также известные как алкены, и ароматические соединения представляют собой ненасыщенные углеводороды. Алканы — единственные насыщенные углеводороды, встречающиеся в природе в сырой нефти.

Характеристики классов углеводородов 

Большие молекулы углеводородов и длинные и сложные цепи молекул углеводородов означают большую плотность топлива. Плотность топлива — это количество энергии в каждом объеме топлива, например, количество энергии в галлоне или литре дизельного топлива. Легкие виды топлива, такие как бензин и газообразное топливо — природный газ (метан), пропан и т. д. — состоят из небольших молекул углеводородов и коротких молекулярных цепей. В результате легкое топливо имеет низкую плотность энергии.

Крупные углеводороды и длинные цепочки углеводородных молекул составляют большинство углеводородов в тяжелых видах топлива, таких как дизельное топливо, дизельное топливо и бункерное топливо (остаточное масло). Это связано с тем, что большие молекулы углеводородов и молекулярные цепи имеют высокую плотность энергии. В дополнение к размеру и длине молекул углеводородов на плотность влияет соотношение углерода и водорода. Количество атомов углерода по отношению к атомам водорода определяет вес и плотность топлива. Чем больше атомов углерода — или меньше атомов водорода — в соотношении углерода к водороду в молекуле, тем более плотным является топливо.

Углеводороды с высоким отношением водорода к углероду легче, чем углеводороды с более высоким отношением углерода к водороду. Причина в том, что водород — самый легкий элемент на Земле. Отсюда следует, что ископаемые виды топлива в газообразном состоянии, такие как пропан и природный газ (метан), которые имеют высокое отношение водорода к углероду, чрезвычайно легкие. На противоположном конце спектра находятся густые и тяжелые ископаемые виды топлива, такие как дизельное топливо и мазут, с высоким содержанием углерода.

Чем больше отношение углерода к водороду, тем выше плотность топлива.

Углеводороды и плотность топлива

Плотность энергии влияет на все: от расхода топлива и выбросов до срока службы двигателя. Расход бензина, выбросы, загрязнение и износ двигателя зависят от размера молекулы углеводорода и длины цепи молекулы углеводорода.

Чем выше соотношение углерода к водороду, тем больше энергии содержится в топливе и тем чище топливо сгорает. Например, плотность энергии галлона бензина значительно меньше плотности энергии галлона дизельного топлива. «Дизель и бензин имеют примерно одинаковую энергию на единицу массы (более низкая теплотворная способность, около 41 МДж/кг). Плотность дизельного топлива составляет около 833 кг/м3 по сравнению с 740 кг/м3 бензина. Это дает дизельному топливу примерно на 13% более высокую плотность энергии на единицу объема», — сообщает StackExchange.com.

В результате — по крайней мере частично — дизельные двигатели на 25–35 % экономичнее своих бензиновых аналогов и служат в два-три раза дольше.

Четыре класса углеводородов 

Опять же, существует только четыре класса углеводородов: парафины, нафтены, олефины и ароматические соединения. Поскольку существует только четыре класса углеводородов, это обязательно означает, что углеводороды в ископаемом топливе попадают в один из четырех классов. Однако в дизельном топливе, как и в любом другом виде ископаемого топлива, содержатся сотни различных типов углеводородов.

Только дизельное топливо содержит более 500 различных типов углеводородов. Кроме того, многие углеводороды в дизельном топливе также присутствуют в бензине и других ископаемых видах топлива. Хотя ископаемое топливо имеет общие углеводороды, ископаемое топливо разделяет соотношение больших и малых молекул углеводородов. В каждом ископаемом топливе есть формула углеводородной смеси.

Точно так же существует углеводородная формула дизельного топлива.

Категории и классы углеводородов в дизельном топливе

Четыре класса углеводородов относятся к одной из двух категорий. Независимо от того, к какому из четырех классов относится углеводород, углеводород является либо насыщенным углеводородом, либо ненасыщенным углеводородом. Отношение насыщенных углеводородов к ненасыщенным углеводородам варьируется в дизельном топливе.

Но соотношение обычно составляет около четырех насыщенных углеводородов на каждый один ненасыщенный углеводород.

Что касается классов углеводородов, то углеводороды в дизельном топливе подпадают под одну из трех категорий: парафины, ароматические углеводороды и нафтены. Олефины очень редко встречаются в дизельном топливе, потому что они редко встречаются в сырой нефти. «Олефины редко встречаются в сырой нефти; они образуются в результате определенных процессов нефтепереработки». Как поясняет Департамент передовых моторных топлив Сети энергетических технологий: «Дизельное топливо состоит в основном из парафинов, ароматических углеводородов и нафтенов. Дизельное топливо содержит углеводороды с примерно 12–20 атомами углерода и температурой кипения от 170 до 360 °C».

Что представляют собой насыщенные углеводороды — алканы —

Насыщенные углеводороды составляют большую часть углеводородов в дизельном топливе. Около 75 процентов углеводородов в дизельном топливе являются насыщенными углеводородами. Так же, как существуют разные типы углеводородов, существуют разные типы насыщенных углеводородов или алканов.

Различные виды алканов — предельные углеводороды — имеют разное количество атомов водорода и углерода. И разные алканы имеют разное отношение водорода к углероду. В дизельном топливе есть два типа алканов: парафины и нафтены. «Парафины и нафтены классифицируются как насыщенные углеводороды, потому что к ним нельзя добавить больше водорода, не разрушая углеродную основу».

Парафины Углеводороды

Нормальные парафины представляют собой одноцепочечные молекулы. Есть остов из атомов углерода. К атомам углерода присоединены от одного до трех атомов водорода. «Обычные парафины имеют атомы углерода, связанные с образованием цепочечных молекул, где каждый углерод, кроме тех, что находятся на концах, связан с двумя другими, по одному с каждой стороны». Но подобно тому, как существуют разные виды ископаемого топлива, потому что есть разные типы углеводородов — насыщенные и ненасыщенные — есть разные виды парафинов. Кроме нормальных парафинов существуют еще и изопарафины.

Изопарафины Углеводороды

Изопарафины имеют ту же углеродную основу, что и обычные парафины. Однако помимо основной цепи из атомов углерода изопарафины имеют углеродные ответвления. Подразумевается, что другой парафиновый углеводород может иметь такое же количество атомов углерода и водорода в цепи, но другую структуру.

«Изопарафины имеют аналогичную углеродную основу, но они также имеют один или несколько атомов углерода, отходящих от основной цепи. Нормальный декан и 2,4-диметилоктан имеют одинаковую химическую формулу С10х32, но разные химические и физические свойства. Подобные соединения с той же химической формулой, но другим расположением атомов называются структурными изомерами».

Циклоалкановые углеводороды (нафтены)

Помимо одноцепочечных молекул и цепочечных молекул с разветвлениями, парафиновые углеводороды также превращаются в цепи, в которых два конца соединяются, образуя петлю. Парафиновые углеводороды этой петли представляют собой циклоалканы или нафтены .

Каждый тип алкана может иметь большое количество различных типов.

«При стандартных условиях температуры и давления (STP) первые четыре члена ряда алканов (метан, этан, пропан и бутан) находятся в газообразной форме, а соединения, начиная с C5h22 (пентан) до н-гептадекана ( C17h46) представляют собой жидкости (состоящие из больших фракций углеводородов, содержащихся в жидком топливе (например, в бензине, топливе для реактивных двигателей и дизельном топливе), тогда как н-октадекан (C18h48) или более тяжелые соединения существуют изолированно в виде воскоподобных твердых веществ при СТП. Эти более тяжелые парафины растворимы в более легких парафинах или других углеводородах и могут быть обнаружены в дизельном топливе и мазутах Парафины от C1 до C40 обычно появляются в сырой нефти (более тяжелые алканы в жидком растворе, а не в виде твердых частиц) и составляют до 20% сырой нефти. по объему»

Остальные компоненты дизельного топлива — ароматические, ненасыщенные углеводороды.

Какие ненасыщенные углеводороды — ароматические углеводороды — содержатся в дизельном топливе

Ароматические углеводороды — это ненасыщенные углеводороды. Ароматические соединения составляют неалканы в дизельном топливе. «Дизельное топливо имеет содержание ароматических соединений в диапазоне от 15 до 37% по объему». Существует три типа ароматических соединений: моноароматические, диароматические и триароматические. Хотя в дизельном топливе существуют сотни конкретных типов ароматических соединений, только полдюжины составляют основную часть современного дизельного топлива.

Наиболее распространенными ароматическими соединениями в дизельном топливе являются:

1. Бензол
2. Толуол или метилбензол
3. м-ксилол или 1,3-диметилбензол
4. Этилбензол
5. Пропилбензол
6. Изопропилбензол

Преимущества и недостатки ароматических соединений

Ароматические соединения играют решающую роль в двух важных качествах дизельного топлива. Во-первых, чем больше количество ароматических соединений, тем больше вязкость. Таким образом, чем больше ароматики в дизельном топливе, тем оно более текучее. Кроме того, ароматические углеводороды представляют собой летучие углеводороды, что означает, что ароматические углеводороды помогают при запуске дизельного двигателя в холодную погоду. И чем больше ароматики, тем выше цетановое число дизельного топлива. Но у ароматических соединений есть и недостатки, особенно в отношении окружающей среды.

Ароматические соединения при сгорании производят более грязные выбросы, чем алканы. «Ароматические соединения могут привести к образованию канцерогенных соединений в выхлопных газах, таких как бензол и полиароматические соединения. Олефины в бензине могут привести к увеличению концентрации реактивных олефинов в выхлопных газах, некоторые из которых являются канцерогенными, токсичными или могут увеличить озонообразующий потенциал».

Хорошие и плохие углеводороды в дизельном топливе

Дизельное топливо не является «чистым» топливом по мнению традиционных экологов. Причина в твердых частицах и смоге, связанных с сжиганием дизельного топлива. Однако черный дым дизельных двигателей мало чем отличается от дыма из труб, вулканов и лесных пожаров. Черный дым, который производили дизельные двигатели прошлого, был просто несгоревшим углеводородом.

Вероятно, наиболее опасными выбросами двигателей внутреннего сгорания являются невидимые газы, содержащиеся в выбросах. Угарный газ, например, вырабатывается дизельными двигателями в очень малых количествах. С другой стороны, бензиновые двигатели производят значительные объемы.

Есть одна причина — преобладание одного углеводорода над другим — которая отделяет дизельное топливо от других видов ископаемого топлива: нафтены. «Нафтены — это класс циклических алифатических углеводородов или просто циклоалканов». Проще говоря, нафтены — это алканы с петлей. Это означает, что нафтены богаты энергией и чрезвычайно плотны. Что еще более важно, выбросы нафтенов не токсичны.

Хотя все виды ископаемого топлива содержат большое количество парафинов (алканов) и ароматических соединений, не все виды ископаемого топлива содержат большое количество нафтенов. Вместо нафтенов третьим компонентом легких видов топлива, таких как бензин и ископаемое топливо в газообразном состоянии, являются алкены. Алкены токсичны. Таким образом, на фундаментальном уровне дизельное топливо отличается от бензина и других видов легкого газообразного топлива тем, что оно содержит нафтены, ценные нетоксичные выбросы, производящие углеводороды.

Дизельные углеводороды по сравнению с другими ископаемыми видами топлива

К счастью, «чистые» углеводороды — это те же углеводороды, которые имеют высокую плотность энергии. Точно так же те углеводороды, которые токсичны для людей и наносят ущерб атмосфере и окружающей среде, также не являются энергоемкими. Хотя у дизеля есть проблемы с загрязнением выхлопными газами, эти проблемы не связаны с углеводородами. В то время как сера в обычном дизельном топливе токсична, дизельное топливо с низким содержанием серы значительно меньше загрязняет окружающую среду, чем бензин.

Дизельное топливо имеет более высокое содержание алканов, чем бензин, и более низкое содержание ароматических соединений.