Топливо и смазочные материалы

1. Требования к дизельным топливам

Дизельное топливо  является сложной смесью парафиновых (10-40%), нафтеновых (20-60%) и ароматических (14-30%) углеводородов и их производных  средней молекулярной массы 110-230, выкипающих в переделах 170-380 градусов по Цельсию.

Температура вспышки  составляет 35-80 градусов по Цельсию, застывания -- ниже 5 градусов. Для того чтобы обеспечить надежную, экономичную и долговечную работу дизельного двигателя, топливо для него должно отвечать следующим требованиям:

- хорошо прокачиваться  для бесперебойной и надежной  работы насоса высокого давления, иметь оптимальную вязкость, необходимые  низкотемпературные свойства, не  содержать воды и механических  примесей;

- обеспечивать тонкий  распыл и хорошее смесеобразование, для чего нужны оптимальные вязкость и фракционный состав;

- полностью сгорать,  не образуя сажистых частиц, обеспечивать легкий запуск двигателя и "мягкую" работу:

- не вызывать повышенного  нагарообразования на клапанах, кольцах и поршнях, закоксовывания форсунки и зависания иглы распылителя;

- не вызывать коррозии  резервуаров, топливопроводов, деталей двигателя;

- при сгорании  выделять возможно большее количество тепла и быть стабильным.

Топливом для быстроходных дизельных двигателей служат легкие керосино-газойлевые маловязкие фракции нефти, для тихоходных - тяжелые вязкие фракции. В таблице ниже представлены основные параметры дизельных топлив для быстроходных и тихоходных двигателей.Кроме того, в дизельном топливе для быстроходных двигателей не допускается присутствие сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей, воды и механических примесей.

Настоящее Исследование посвящено дизельному топливу для  т.н. «быстроходных» - высокооборотных, выпускаемых по ГОСТ 305-82. Топливо  для мало- и среднеоборотных дизелей (ГОСТ 1667-68) в отчете рассматриваться  не будет. Однако не упомянуть о нем  мы не могли.

Главными эксплуатационными  свойствами дизельных топлив являются быстрое воспламенение и плавное  сгорание. Эти свойства характеризуются  т.н. цетановым числом. Наиболее легко воспламеняются парафиновые углеводороды нормального строения и олефины (цетановое число соответствует 56-103 и 40-90), наиболее трудно - ароматические углеводороды (5-30). Оптимальную работу двигателей обеспечивает топливо с цетановым числом. 45-60.

Если цетановое число меньше 45 - резко увеличиваются период задержки воспламенения (время между началом вспрыска и воспламенением топлива) и скорость нарастания давления в камере сгорания двигателя, усиливается износ узлов трения. При цетановом числе более 60 снижается полнота сгорания топлива, возрастают дымность выпускных газов и нагарообразование в камере сгорания, повышается расход топлива. С увеличением мол. массы углеводородов в гомологическом ряду цетановое число возрастает.  

Маркировка дизельного топлива включает содержание (в массовых долях) серы и для летнего сорта  температуру вспышки (Л-0,2 - 40), а для  зимнего сорта - температуру застывания (З-0,2 минус 35). Д. т. для тихоходных двигателей маркируют как ДМ и ДТ.

Прокачиваемость дизельных топлив определяется их низкотемпературными свойствами (температуры помутнения и застывания), ухудшающимися при повышении содержания н-алканов. Пожароопасность дизельных топлив характеризуется температурой вспышки, зависящей от содержания легких фракций.

Эксплуатационные  свойства дизельных топлив значительно  улучшаются введением присадок. Присадки делятся на несколько групп:

1) Инициирующие присадки (например, излпропилат) повышают цетановое число на 8-12. Добавляют их в от 0,25 до 2% по массе.

2)Противодымные (например, ацетонитрил, метиланилин, сульфонат бария) - от 0,25 до 0,5% по массе.

3)Антиокислители (например, 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол, N-фенил-N'-изопропилфенилендиамин) - 0,002-0,1% по массе.

4)Деактиваторы металлов (например, N, N'-десалицилиденэтилендиамин) - 0,003-0,005% по массе.

5)Присадки, предотвращающие  образование нерастворимых продуктов  окисления (например, нафтенаты и  сульфонаты бария и кальция) - 0,025-0,1% по массе.

6)Антикоррозийные  присадки антикоррозионные (например, масляный раствор окисленного  петролатума и сульфоната кальция) - 0,003-0,005.

7)Депрессорные присадки, понижающие температуру застывания (например, полиметакрилаты, сополимеры этилена с винилацетатом мол. м. 2-6 тыс.) - 0,01-2% по массе.

Требования  к качеству дизельных  топлив в России и  за рубежом

Согласно принятой в России классификации выделяют три сорта топлив - дизельное летнее (на него приходятся подавляющие объемы производства), зимнее - с температурой застывания минус 35? C, и минус 45?, а также арктическое - с температурой застывания не выше минус 55? C, предназначенное для условий Крайнего Севера и Арктики (около 1% от совокупного выпуска). Так в таблице ниже представлены характеристики, предъявляемые к указанным видам дизельного топлива.

Западные требования к дизельному топливу намного  жестче тех, что установлены ГОСТом 305-82. Разрешенное содержание серы в США и странах ЕС, как минимум в 4 раза ниже, нежели чем в России, при этом в Швеции (как исключении) - в 400 раз. Кроме того, на Западе регламентируется содержание ароматических углеводородов, а также полициклический - как наиболее токсичных соединений. Минимальное разрешенное цетановое число западного дизельного выше, а плотность - ниже.Помимо всего перечисленного, можно заметить, что российские требования к дизельному топливу не менялись почти четверть века, а на Западе - постоянно обновляются и ужесточаются.По содержанию серы требования этих стран до 1996 года находились в пределах 0,2-0,3% (мас.), с 1996 года - они значительно ужесточились. Осуществляется дальнейшее ужесточение требований - до 0,035 (мас.) в настоящее время и до 0,005% (мас.) - в перспективе.

Для получения дизельного топлива с содержанием серы 0,05% (мас.) без нормирования ароматических углеводородов на большинстве действующих установок гидроочистки необходимо наряду с заменой катализатора и увеличения его загрузки в 1,2-1,5 раза обеспечить повышение давления до 5МПа и провести ряд работ по реконструкции и замене оборудования. Для перехода всех НПЗ в России на производство экологически чистого дизельного топлива потребуется сооружение новых мощностей, обеспечивающих не только глубокое обессеривание сырья, но и его деароматизацию. Принципиальным отличием этой технологии от действующей является применение более высокого давления (7-10МПа), что увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, но позволяет осуществить переработку как прямогонных дистиллятов, так и вторичного сырья, объемы которых ежегодно возрастают по мере углубления переработки нефти.В настоящее время для всех дизельных топлив, поставляемых на экспорт введены такие дополнительные обязательные характеристики как коэффициент износа (регулируется путем введения противоизносных присадок), а также предельная температура фильтруемости, которая с трудом поддается регулированию путем введения присадок, но может регулироваться путем смешения различных фракций дизельного топлива.

2.ЧТО  ТАКОЕ ВЯЗКОСТЬ?Вязкость это особое измерение жидкостного сопротивления потоку в зависимости от температуры. Однако  есть два вида вязкости.

Динамическая или  абсолютная вязкость определяется как  отношение силы сдвига к скорости сдвига в зависимости от температуры. Для тех из вас кому нужно более  точное определение, это тангенциальная сила на единицу площади, необходимая  для сдвига одной горизонтальной плоскости относительно другой, со скоростью в одну единицу, находящихся  на единице расстояния между плоскостями  жидкости. В системе СИ динамическая вязкость определяется как Ньютон в  секунду на квадратный метр или Паскаль  в секунду (Н*с*м-2 или Па*с). Не входящая в СИ, но принятая единица – Пуаз, это 0,1H*c*м-2. Поскольку динамическая вязкость реальных жидкостей постоянно незначительная величина, то более часто используют сантипуаз (сП, 10-3Н*с*м-2) и обозначается греческой буквой "эта".

Динамическая вязкость важна при определении низкотемпературных свойств смазок, но её редко применяют  при анализе масла или для  определения  класса вязкости (мы ещё  вернёмся к этому позже).  По многим серьёзным причинам, исследователя  масла интересует кинематическая вязкость.

Кинематическая вязкость – производная величина и определяется довольно просто: динамическая вязкость жидкости делится на её плотность  при определенной температуре. Она  может быть также определена как  сопротивление потоку под действием  силы тяжести. Единица измерения  – сантиметр квадратный в секунду (см2*с-1), также известная как Стокс (Ст) и обозначается греческой буквой ню, в СИ 1Ст = 10-4м2*с-1. Более распространенное обозначение – сантистокс, это миллиметр в квадрате в секунду (мм2*с-1). Предпочтительные температуры при которых проводятся измерения это 40°C и 100°C.

Это очень важно, чтобы температура, при которой  вязкость была измерена, была отмечена, так как вязкость меняется вместе с температурой. Как температура  растет, вязкость падает, как показано на упрощенном графике ниже:

Рис. 1: Зависимость Температура/Вязкость.

Более того, с ростом температуры у различных масел  вязкость уменьшается на различную  величину. Так появляется такое понятие  как индекс вязкости (viscosity index или VI). Индекс вязкости это безразмерная величина, которая характеризует изменение вязкости  в зависимости от изменения температуры. С ростом температуры, у масел с низким VI скорость уменьшения вязкости будет выше, чем у масел с более высоким VI.  Обычное летнее моторное масло, как например, SAE 30 имеет VI около 95, тогда как всесезонное масло 15W-40 будет иметь VI около 135. С ростом температуры всесезонное масло «теряет» вязкость не так быстро, как летнее, имея, таким образом, стабильную вязкостную характеристику для более широкого диапазона температур, хотя оба типа масла имеют вязкость около 100 сСт при 40°C.

В системе вязкости SAE,  более высокому значению, соответствует  более высокая вязкость, то есть масло с вязкостью SAE 15W-40 ведёт  себя  как SAE 15 в холоде и как SAE 40 в нагретом состоянии. Это дает необходимую защиту во время рабочих  температур, до тех пор, пока обеспечивается условие, что масло в холодном двигателе не слишком вязкое для  того чтобы течь. Фактически «W» означает «Winter»(Зима). График расположенный ниже иллюстрирует зависимость между сезонным и всесезонным маслом.

Рис. 2: Сезонное/Всесезонное  масло – зависимость от температуры (упрощенно).

VI масла может  быть увеличен различными путями. Обычное минеральное масло имеет в своем составе присадки. VII - viscosity index improver (улучшители индекса вязкости), которые представляют собой длинные цепочки органических полимеров, которые остаются аккуратно свернутыми пока холодно. Но как только температура начинает расти, полимеры «разматываются» и тем самым замедляют уменьшение вязкости, вызванное ростом температуры. Минеральные масла глубокой очистки имеют естественно высокий VI , так как процесс очистки удаляет компоненты нефти с низким VI. Наконец, синтетические смазочные материалы могут быть химически разработаны так, чтобы иметь высокий индекс вязкости. Запомните, просто очистка масла, без каких-либо присадок,  дает натуральный, высокий VI.

Индекс вязкости масла может быть определен измерением кинематической вязкости масла при  двух температурах, обычно это 40°C и 100C. Кинематическая вязкость определяется при помощи кинематического вискозиметра. Типичные такие инструменты представлены на изображении ниже. 

Силиконовая масляная ванна при постоянной температуре (с точностью до одной двадцатой  градуса) и серия трубок погружённых  в ванну. Масло течёт по трубкам  под действием силы тяжести до тех пор, пока не достигнет электронного сенсора в нижней части трубки. Когда масло проходит через сенсор, включается таймер. На небольшом расстоянии после этого есть еще один сенсор, который останавливает таймер, когда  масло проходит мимо него.  Основываясь  на известном нам диаметре трубки и времени прохождения масла  между двумя сенсорами, мы можем  вычислить вязкость. Вязкостная трубка показана ниже.

Этот исследовательский  метод очень прост. Он также быстр, дёшев, точен и воспроизводим. Это  совсем не так при определении  динамической вязкости, когда плёнка масла расположена между двумя  пластинами и измеряется сила, требуемая  для кручения одной пластины относительно другой. Явные преимущества измерения  кинематической вязкости подталкивают нас к выбору именно этого метода. Однако динамическая вязкость дала бы нам более верное отражение того, что на самом деле происходит в  смазочной системе. Измерения кинематической вязкости, под действием гравитации, подвергают масло очень небольшим  усилиям сдвига, тогда как во время  измерения динамической вязкости, оказывается  приближенное к реальному усилие сдвига, которое встречается в механических системах, а это, в свою очередь,  может отразиться  на вязкости масла в реальной ситуации.

Прежде чем мы двинемся дальше, давайте рассмотрим некоторые малоиспользуемые единицы  измерения кинематической вязкости. Универсальные Секунды Сейболта или Вязкость по Сейболту (SUS - Saybolt Universal Seconds), была популярна в США, и основывалась на количестве секунд необходимых для прохождения 60 мл масла через специальное калиброванное отверстие. Связаны с SUS (или SSU)  и Furol Секунды Сейболта (SFS - Saybolt Furol Seconds). Это в основном то же, что и универсальные измерения, но применяется к более вязким жидкостям. «Furol» - это акроним от «Fuel and Road Oils»(Топливо и Дорожные Масла). Градусы Энглера были популярны в континентальной Европе и основаны на отношении времени занимаемого прохождением потока 200мл масла через вискозиметр ко времени занимаемому таким же объемом воды при 20°C. Секунды Рэдвуда использовались в Великобритании, этот метод основан на времени занимающем потоком 50мл масла через вискозиметр. Есть коэффициенты перевода результатов измерений от одной системы к другой, но только температура должна быть фиксированной, а также обычно предполагают, что масло имеет VI от 95.

Итак, теперь мы знаем, что мы измеряем, но зачем мы это  измеряем и как мы распорядимся этим – что значат эти результаты? В чем смысл вязкости, она слишком  маленькая или слишком большая? Какие причины заставляют вязкость изменяться?