ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Χημικών Μηχανικών Εργαστήριο Τεχνολογίας Καυσίμων & Λιπαντικών 7 ο Εξάμηνο Σπουδών Τεχνολογία Καυσίμων και Λιπαντικών Εργαστηριακή Άσκηση Ποιότητα Ανάφλεξης Μεσαίων Αποσταγμάτων Πετρελαίου Υπεύθυνος Άσκησης: Παπαγιάννης Αναστάσιος Χημικός Μηχανικός tpapagia@central.ntua.gr Αθήνα 2007
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σημαντικότερο από εμπορικής πλευράς μέσο απόσταγμα πετρελαίου, είναι το πετρέλαιο (diesel) κίνησης. Την διεθνή του ονομασία την οφείλει στον εφευρέτη του κινητήρα με το αυτό όνομα. Ο Rudolph Diesel κατοχύρωσε την ευρεσιτεχνία του για κινητήρα εσωτερικής καύσης με υψηλή σχέση συμπίεσης (σε αντίθεση με τους προϋπάρχοντες κύκλου Otto) το 1892. Βέβαια για την ιστορική ακρίβεια δεν πρέπει να λησμονηθούν οι αντίστοιχες παράλληλες μελέτες και κατασκευές του Herbert Akroyd Stuart (Μεγάλη Βρετανία, 1891). Η ευρεσιτεχνία του Diesel είναι η περίφημη No 67207. ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL Η σημαντικότερη διαφορά του κινητήρα diesel σε σχέση με τον βενζινοκινητήρα, είναι η υψηλή σχέση συμπίεσης. Ενώ οι βενζινοκινητήρες λειτουργούν με σχέση συμπίεσης ανάμεσα στο 8,5:1 με 12:1, οι κινητήρες diesel λειτουργούν με σχέση συμπίεσης που κυμαίνεται από 16:1 έως 25:1. Στην περίπτωση του κινητήρα diesel, δεν χρησιμοποιείται εκνεφωτής (καρμπυρατέρ) για την ανάμιξη του καυσίμου με τον αέρα πριν την εισαγωγή του στον θάλαμο καύσης, αλλά η έγχυση του καυσίμου γίνεται άμεσα ή έμμεσα στον θάλαμο καύσης, όπου συναντά τον θερμό και συμπιεσμένο αέρα και έτσι επιτυγχάνεται αυτανάφλεξή του. Ακολουθεί διάγραμμα με τις διαφορετικές φάσεις (χρόνους) λειτουργίας ενός τετράχρονου κινητήρα diesel: Σελίδα 2 από 11
Ο προσεκτικός αναγνώστης θα παρατήρησε ότι υπήρξε αναφορά σε δύο τρόπους έγχυσης του καυσίμου άμεσα και έμμεσα. Πράγματι υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες κινητήρων diesel ανάλογα με τη σχεδίαση του θαλάμου καύσης, οι άμεσου ψεκασμού και οι έμμεσου ψεκασμού. Στους κινητήρες άμεσου ψεκασμού, το καύσιμο εισάγεται απευθείας στο θάλαμο καύσης, λίγο πριν το άνω νεκρό σημείο, κι έχουν τυπική σχέση συμπίεσης 18:1. Το ακροφύσιο ψεκασμού, συνήθως με πολλές οπές, βρίσκεται στην κεφαλή του κυλίνδρου. Σε πολλούς μικρούς κινητήρες υπάρχει μία κοιλότητα στην κεφαλή του εμβόλου για την επίτευξη καλύτερης ανάμιξης του καυσίμου με τον αέρα. Οι κινητήρες έμμεσου ψεκασμού έχουν έναν προθάλαμο συνδεδεμένο με τον κύλινδρο με μία στενή οπή. Το ακροφύσιο ψεκασμού, συνήθως μίας οπής, ψεκάζει το καύσιμο στον προθάλαμο όπου αναμιγνύεται με το θερμό συμπιεσμένο αέρα και αναφλέγεται. Τα θερμά φλεγόμενα αέρια, εισέρχονται μέσω της οπής σύνδεσης στον κύλινδρο, όπου εκτονώνονται. Η καλή ανάμιξη αέρα-καυσίμου επιτυγχάνεται με την έντονη τύρβη που δημιουργείται από την ταχεία μεταφορά του αέρα από τον κύλινδρο στον προθάλαμο. Μια τυπική σχέση συμπίεσης για κινητήρες έμμεσου ψεκασμού είναι 22:1. Συγκρινόμενοι με τους κινητήρες άμεσου ψεκασμού επιτρέπουν λειτουργία σε υψηλότερες στροφές, και τη χρήση απλούστερου και φθηνότερου εξοπλισμού ψεκασμού. Σελίδα 3 από 11
ΚΑΥΣΙΜΑ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ Η ανάπτυξη του κινητήρα με αεριοστρόβιλο για χρήση σε αεροσκάφη ξεκίνησε στη δεκαετία του 1930 από ανεξάρτητους ερευνητές στη Γερμανία και τη Βρετανία. Στη Γερμανία, ο Hans von Ohain σχεδίασε τον κινητήρα με αεριοστρόβιλο που πραγματοποίησε την πρώτη πτήση το 1939. Το καύσιμο που χρησιμοποίησε ήταν η αεροπορική βενζίνη, λόγω διαθεσιμότητας. Οι Γερμανοί χρησιμοποίησαν το πρώτο αεροσκάφος με αεριοστρόβιλο, τύπου Messerschmitt 262, στα τέλη του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. Στη Βρετανία, ο Sir Frank Whittle κατοχύρωσε με ευρεσιτεχνία τον κινητήρα με αεριοστρόβιλο το 1930, αλλά το πρώτο αεροσκάφος που χρησιμοποίησε τον κινητήρα που σχεδίασε πέταξε για πρώτη φορά το 1941. Ο Sir Whittle χρησιμοποίησε φωτιστική κηροζίνη, επίσης λόγω διαθεσιμότητας. Το πρώτο πολεμικό αεροσκάφος της Βρετανίας που είχε κινητήρα με αεριοστρόβιλο, ήταν το Gloster Meteor και έκανε τις πρώτες πτήσεις στα τέλη του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΓΙΑ ΑΕΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ Το πρώτο καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε στους κινητήρες με αεριοστρόβιλο ήταν η αεροπορική βενζίνη, αλλά σχεδόν αμέσως παρατηρήθηκε ότι ήταν ακατάλληλο καύσιμο για τους κινητήρες αυτούς. Έτσι, οι ερευνητές στράφηκαν προς την κηροζίνη. Η επιλογή της κηροζίνης βασίστηκε στο υψηλό ενεργειακό της περιεχόμενο και τη μειωμένη εκρηκτικότητά της σε σχέση με τη βενζίνη, στη σχετικά χαμηλή πτητικότητά της, κάτι που απέκλειε ουσιαστικά την ατμόφραξη, και στη μεγάλη διαθεσιμότητά της στο εμπόριο και μάλιστα με αρκετά ομοιόμορφη σύσταση. Η πρώτη προδιαγραφή για καύσιμα αεροστροβίλων εμφανίζεται το 1944 και καθορίζει το καύσιμο JP-1 (Jet Propellant #1). Επρόκειτο για κηροζίνη με σημείο πήξης 60,5 C και σημείο ανάφλεξης 43 C. Η προδιαγραφή για το σημείο πήξης όμως, περιόριζε τη διαθεσιμότητά του, αφού τα διυλιστήρια που μπορούσαν να ανταποκριθούν σε μια τέτοια απαίτηση ήταν πολύ λίγα. Το JP-2 (1945) απορρίφθηκε λόγω μη ικανοποιητικών ιδιοτήτων που αφορούσαν το ιξώδες και τα χαρακτηριστικά καύσης αυτού και το 1949 εισήχθη το JP-3. Το JP-3 είχε υψηλή τάση ατμών, συγκρίσιμη με αυτή των αεροπορικών βενζινών. Αυτό, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι τα αεροσκάφη με αεριοστρόβιλους πετούν σε μεγαλύτερα ύψη απ ότι τα αεροσκάφη με εμβολοφόρους κινητήρες, οδηγούσε σε απώλειες καυσίμου λόγω εξάτμισης και προκαλούσε σοβαρά προβλήματα κατά τις πτήσεις σε μεγάλα ύψη και τις απότομες μεταβολές του ύψους Σελίδα 4 από 11
πτήσης. Έτσι, έπρεπε να αναπτυχθεί ένας νέος τύπος καυσίμου με μικρότερη πτητικότητα. Το JP-4 που αναφέρεται και ως Jet-B ή με τον κωδικό F-40 του ΝΑΤΟ, εισήχθη το 1951 και είναι ένα μίγμα κηροζίνης-βενζίνης, με μέγιστη τάση ατμών της τάξης των 2-3psi, ώστε να μειωθούν τα προβλήματα εξάτμισης και ατμόφραξης στο καύσιμο. Έχει σημείο ανάφλεξης 18 C, που όμως δεν αναφέρεται στις προδιαγραφές του καυσίμου, και σημείο πήξης 58 C. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980 ενσωματώθηκε στο καύσιμο ένα αντιστατικό πρόσθετο για λόγους ασφαλείας. Το JP-4 ήταν το κύριο καύσιμο της πολεμικής αεροπορίας των χωρών του ΝΑΤΟ για πολλά χρόνια, αλλά εγκαταλείφθηκε πρόσφατα εξαιτίας της υψηλής πτητικότητάς του. Το JP-5, που αναφέρεται και με τον κωδικό F-44 του ΝΑΤΟ, εισήχθη το 1952 και χρησιμοποιείται στα αεροσκάφη του ναυτικού, παρουσιάζει μεγαλύτερη θερμική σταθερότητα σε σχέση με το JP-4 και δεν έχει αντιστατικά πρόσθετα. Για λόγους ασφαλείας έχει ελάχιστο σημείο ανάφλεξης 60 C, ενώ το σημείο πήξης του καυσίμου είναι 46 C. Παλαιότερα, επειδή στα αεροπλανοφόρα χρειαζόταν και αεροπορική βενζίνη και καύσιμο για αεριοστρόβιλους και οι αποθηκευτικοί χώροι ήταν περιορισμένοι, υπήρχε η πρακτική της ανάμιξης του JP-5 με αεροπορική βενζίνη με σκοπό την παραγωγή ενός καυσίμου παρόμοιου με το JP-4. Σήμερα όμως, αυτή η πρακτική έχει εγκαταλειφθεί. Το JP-6 αναπτύχθηκε το 1956 για τα αεροσκάφη τύπου XB-70. Τα αεροσκάφη αυτά ήταν σχεδιασμένα να επιχειρούν σε μεγάλο υψόμετρο και υψηλές ταχύτητες (> 2 Mach). Το καύσιμο αυτό είναι παρόμοιο με το JP-5, αλλά έχει χαμηλότερο σημείο ροής, 54 C, και αυξημένη θερμική σταθερότητα. Για το καύσιμο αυτό δεν υπάρχει προδιαγραφή που να αφορά το σημείο ανάφλεξης. Το JP-6, όπως και το JP-5, βρίσκονται σε μικρότερη διαθεσιμότητα από το JP-4. Το JP-7 αναπτύχθηκε το 1960 για τα αεροσκάφη τύπου SR-71. Και αυτός ο τύπος των αεροσκαφών ήταν σχεδιασμένος να επιχειρεί σε μεγάλα ύψη και υψηλές ταχύτητες. Έχει χαμηλή τάση ατμών και πολύ μεγάλη θερμική σταθερότητα σε μεγάλα υψόμετρα και ταχύτητες μεγαλύτερες από Mach 3. Έχει σημείο πήξης 44 C και ελάχιστο σημείο ανάφλεξης 60 C. Το JP-8 χρησιμοποιήθηκε αρχικά το 1978 και αναφέρεται με τον κωδικό F-34 του ΝΑΤΟ. Το καύσιμο αυτό είναι παρόμοιο με το Jet A-1 (ή Jet A όπως ονομάζεται στην Βόρεια Αμερική) που χρησιμοποιείται στην πολιτική αεροπορία, αλλά είναι ενισχυμένο με αντιπαγωτικά και αντιστατικά πρόσθετα και βελτιωτικά της λιπαντικής του ικανότητας. Η σύγκλιση των προδιαγραφών των καυσίμων της πολεμικής αεροπορίας με αυτές του JP-8 έγινε κυρίως για λόγους ασφαλείας και ολοκληρώθηκε το 1996. Τέλος, υπάρχει και το JPTS (Jet Propellant Thermally Stable) που αναπτύχθηκε για τα αεροσκάφη τύπου U-2 και χρησιμοποιήθηκε αρχικά το 1956. Σελίδα 5 από 11
Είναι κηροζίνη υψηλής κατεργασίας, ενισχυμένη με πρόσθετα για βελτίωση της θερμικής σταθερότητας και έχει σημείο πήξης 54 C και ελάχιστο σημείο ανάφλεξης 43 C. ΔΟΓΜΑ ΕΝΙΑΙΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Το 1988 επισημοποιήθηκε στα πλαίσια του ΝΑΤΟ το Δόγμα του Ενιαίου Καυσίμου (Single Fuel Concept), τόσο για την απλοποίηση των λογιστικών μεγεθών που αφορούσαν την αγορά των καυσίμων, όσο και για την καλύτερη, ασφαλέστερη και οικονομικότερη χρήση του συστήματος αγωγών καυσίμων που εξαπλώνεται στις χώρες-μέλη του. Τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται στα πλαίσια των στρατιωτικών επιχειρήσεων του ΝΑΤΟ είναι βενζίνη, κηροζίνη και diesel. Η βενζίνη χρησιμοποιείται σε κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα, αλλά είναι πολύ πτητική, εύφλεκτη και ακατάλληλη για κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση ή κινητήρες με αεριοστρόβιλο. Το diesel, το οποίο χρησιμοποιείται στους κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση έχει ιδιότητες ψυχρής ροής που δεν του επιτρέπουν να χρησιμοποιηθεί σε ψυχρά κλίματα και μικρές θερμοκρασίες, έχει μικρή θερμική σταθερότητα και είναι επιρρεπές σε μικροβιακή μόλυνση. Έτσι, η πιο λογική επιλογή ήταν το JP-8, το οποίο προσφέρει την μια σειρά από τεχνικά, λογιστικά, λειτουργικά και οικονομικά πλεονεκτήματα. Επιπλέον, παρόλο που το JP-5 που χρησιμοποιείται από το Ναυτικό δεν ανήκει στο δόγμα του ενιαίου καυσίμου, έχει αρκετές ομοιότητες με το JP-8, ώστε να θεωρείται αποδεκτό ως υποκατάστατο. Η μετάβαση στο Δόγμα Ενιαίου Καυσίμου περιλάμβανε τρεις φάσεις: Αντικατάσταση του JP-4 από το JP-8 σε αεροσκάφη που επιχειρούν από εδάφους. Αντικατάσταση του diesel με JP-8 σε επίγειες εγκαταστάσεις και σε οχήματα εδάφους με κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση και με κινητήρες με αεριοστρόβιλο. Εξάλειψη των βενζινοκίνητων οχημάτων από το πεδίο των επιχειρήσεων. Το Δόγμα Ενιαίου Καυσίμου έχει περάσει πλέον στο στάδιο της πλήρους εφαρμογής και έχει εξελιχθεί σε Πολιτική Ενιαίου Καυσίμου (Single Fuel Policy). ΧΡΗΣΗ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΣΕ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΜΕ ΣΥΜΠΙΕΣΗ Από τα παραπάνω γίνεται προφανής η ανάγκη διερεύνησης του αν και κατά πόσο μπορεί το JP-8 να χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση. Στην παρούσα άσκηση εξετάζεται η μια από τις κυριότερες παραμέτρους που αφορούν το Σελίδα 6 από 11
καύσιμο κινητήρων diesel, η ποιότητα καύσης. Αυτή εκφράζεται από τον αριθμό κετανίου, ενώ μια εκτίμηση της ποιότητας καύσης του καυσίμου μπορεί να γίνει μέσω ενός υπολογιστικού δείκτη, του δείκτη κετανίου. Στις επόμενες παραγράφους δίνονται μερικά βασικά στοιχεία για την ποιότητα καύσης των καυσίμων που προορίζονται για κινητήρες diesel, καθώς και για τις ιδιότητες που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του δείκτη κετανίου. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ Η ποιότητα ανάφλεξης του πετρελαίου diesel, δηλαδή η ευκολία με την οποία αναφλέγεται μέσα στο θάλαμο καύσης, εκφράζεται με τον αριθμό κετανίου και είναι η πιο σημαντική ιδιότητα των καυσίμων diesel, αφού επηρεάζει τη συμπεριφορά του κινητήρα και τις εκπομπές ρύπων. Αυξημένος αριθμός κετανίου έχει θετική επίδραση στην ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα και βοηθά στη μείωση του θορύβου καύσης. Επιπλέον, η αύξηση του αριθμού κετανίου οδηγεί σε μικρότερες εκπομπές οξειδίων του αζώτου και σωματιδίων, χωρίς όμως κάποια αυστηρή συσχέτιση, αφού αυτοί οι ρύποι φαίνεται ότι εξαρτώνται περισσότερο από τον κινητήρα. Η επίδραση του αριθμού κετανίου είναι πιο σημαντική για τις εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογονανθράκων. Οι επιδράσεις της μεταβολής του αριθμού κετανίου φαίνεται επίσης ότι δεν είναι γραμμικές, με την έννοια ότι η θετική επίδραση της αύξησης του αριθμού κετανίου μειώνεται όσο αυξάνεται ο αριθμός κετανίου. Ο αριθμός κετανίου προσδιορίζεται σε κινητήρα CFR, χρησιμοποιώντας ως πρότυπα κ-δεκαεξάνιο ή κετάνιο (αριθμός κετανίου 100) και επτα-μεθυλο-εννεάνιο (αριθμός κετανίου 15). Η κλίμακα του αριθμού κετανίου είχε αρχικά οριστεί με βάση το κετάνιο και το α-μεθυλο-ναφθαλένιο (αριθμός κετανίου 0), αλλά το τελευταίο αντικαταστάθηκε το 1964 γιατί παρουσίαζε προβλήματα στην ανάφλεξη στον πρότυπο κινητήρα. Ο αριθμός κετανίου προκύπτει επομένως από τη σχέση : [Αριθμός Κετανίου] = [% κετάνιο] + 0,15 [%επτα-μεθυλο-εννεάνιο] Στην πράξη, η σχέση συμπίεσης του κινητήρα μεταβάλλεται για να δώσει περίοδο καθυστέρησης ανάφλεξης του υπό δοκιμή καυσίμου ανάμεσα σε περιόδους ανάφλεξης από δύο μίγματα των προτύπων αναφοράς, υψηλότερης και χαμηλότερης ποιότητας ανάφλεξης από το καύσιμο δοκιμής, τα οποία διαφέρουν λιγότερο από 5 μονάδες αριθμού κετανίου. Ο αριθμός κετανίου αγνώστων καυσίμων υπολογίζεται με παρεμβολή μεταξύ της υψηλότερης και της χαμηλότερης σχέσης συμπίεσης. Τα προβλήματα, πάντως, που συνδέονται με τη μέτρηση αυτή, καθώς και η μικρή της ακρίβεια, έχουν οδηγήσει τους ερευνητές στην ανάπτυξη νέων μεθόδων προσδιορισμού του αριθμού κετανίου χωρίς κινητήρα. Το Ευρωπαϊκό Πρότυπο Σελίδα 7 από 11
επιτρέπει τη χρήση τέτοιων μεθόδων, αρκεί να συσχετίζονται με την πρότυπη μέθοδο. Η προδιαγραφή για τον αριθμό κετανίου του diesel που διακινείται στα κράτη-μέλη ΕΕ αυξήθηκε το 2000 από 49 σε 51. Ο αριθμός κετανίου του πετρελαίου diesel σχετίζεται άμεσα με το είδος των υδρογονανθράκων του καυσίμου. Μικρότερο αριθμό κετανίου έχουν οι αρωματικοί, αμέσως μεγαλύτερο, οι ναφθενικοί και οι ισοπαραφινικοί, ενώ οι παραφίνες έχουν την καλύτερη ποιότητα ανάφλεξης από όλες τις ομάδες υδρογονανθράκων. Επιπλέον, η αύξηση των ατόμων άνθρακα του μορίου αυξάνει τον αριθμό κετανίου. ΔΕΙΚΤΗΣ ΚΕΤΑΝΙΟΥ Η ανάγκη χρήσης κινητήρα για τον προσδιορισμό της ποιότητας ανάφλεξης των καυσίμων diesel, έχει κάνει τη μέθοδο του αριθμού κετανίου να μην είναι ιδιαίτερα ελκυστική. Με δεδομένο ότι μέχρι τη δεκαετία του 1970 όταν η χρήση προϊόντων πυρόλυσης για την παραγωγή diesel ήταν ιδιαίτερα περιορισμένη, δεν υπήρχε ιδιαίτερο πρόβλημα με την ποιότητα ανάφλεξης του diesel. Ο δείκτης κετανίου είναι μια προσπάθεια πρόβλεψης του αριθμού κετανίου μέσω απλούστερων αναλύσεων, όπως η πυκνότητα και η καμπύλη απόσταξης με αρκετά καλή ακρίβεια (ASTM D-4737). Η εξίσωση υπολογισμού του δείκτη κετανίου είναι: [Υπολογισμένος Δείκτης Κετανίου] = 45,5 +0,0892 (T 10N ) + [0.131 + (0.901 B)] (T 50N ) + [0.0523 (0.420 B)] (T 90N ) + 0.00049 [(T 10N ) 2 (T 90N ) 2 ] + (107 B) + (60 B 2 ) όπου: D = Πυκνότητα στους 15 C (ASTM D-1298), gr / cm 3 T 10 T 50 T 90 = Θερμοκρασία Ανάκτησης του 10% (ASTM D-86), C. = Θερμοκρασία Ανάκτησης του 50% (ASTM D-86), C. = Θερμοκρασία Ανάκτησης του 90% (ASTM D-86), C. DN = D 0,85 B = [exp (-3,5 DN)] - 1 T 10N = T 10 215 T 50N = T 50 260 T 90N = T 90 310 Σελίδα 8 από 11
Θα πρέπει όμως να σημειωθεί ότι η μέθοδος για τον υπολογισμό του δείκτη κετανίου δεν είναι πάντα καλή προσέγγιση του αριθμού κετανίου και ειδικότερα: Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε καύσιμα που περιέχουν πρόσθετα για τη βελτίωση του αριθμού κετανίου. Αυτό είναι προφανές, αφού ο προσδιορισμός του δείκτη κετανίου στηρίζεται στην πυκνότητα και την πτητικότητα του καυσίμου, ιδιότητες οι οποίες ουσιαστικά δεν αλλάζουν με την ενσωμάτωση του προσθέτου στο καύσιμο. Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί, σε συνδυασμό με τον αριθμό κετανίου, για την εύρεση υπερβολικής ποσότητας βελτιωτικού αριθμού κετανίου ώστε το καύσιμο να πληροί τις προδιαγραφές. Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε καθαρούς υδρογονάνθρακες ή σε καύσιμα που προέρχονται από λιγνίτη. Αυτό συμβαίνει γιατί η μέθοδος βασίζεται σε μια μήτρα καυσίμων diesel της αγοράς και διυλιστηριακών καυσίμων. Δεν παρέχει ακρίβεια όταν χρησιμοποιείται σε υπολειμματικά καύσιμα ή αργό πετρέλαιο για το λόγο που αναφέρθηκε προηγουμένως. ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ Η πυκνότητα του καυσίμου επιδρά στη διεισδυτικότητα του καυσίμου κατά την έγχυση στο θάλαμο καύσης καθώς και στη διασπορά του στον πεπιεσμένο αέρα. Έτσι, καύσιμο μικρής πυκνότητας θα έχει μικρότερη διείσδυση στον αέρα του θαλάμου καύσης αλλά μεγαλύτερη διασπορά. Από μόνη της η πυκνότητα δεν αποτελεί σημαντική παράμετρο της ποιότητας του καυσίμου, αλλά σε συνδυασμό με άλλες ιδιότητες του καυσίμου μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες (ήδη π.χ. αναφέρθηκε η χρήση της στον υπολογισμό του αριθμού κετανίου). Η πυκνότητα έχει άμεση σχέση με το είδος των υδρογονανθράκων που περιέχονται στο καύσιμο, καθώς και με τον αριθμό ατόμων άνθρακα του μορίου. Η σχέση για την πυκνότητα ανάλογα με την κατηγορία είναι: παραφινικοί < ναφθενικοί < αρωματικοί Αύξηση του αριθμού ατόμων άνθρακα στο μόριο, αυξάνει την πυκνότητα του υδρογονάνθρακα. Η μονάδα πυκνότητας στο SI είναι χιλιόγραμμα ανά κυβικό μέτρο (kg/m 3 ), έτσι, όσο υψηλότερη είναι η πυκνότητα, τόσο βαρύτερο είναι το υλικό. Η πυκνότητα προσδιορίζεται με τη μέθοδο ASTM D-1298, όπου ένα υγρόμετρο, το οποίο είναι ένας ζυγισμένος και βαθμονομημένος πλωτήρας, τοποθετείται στο υγρό, για να δώσει ανάγνωση στο σημείο στο οποίο η κλίμακα Σελίδα 9 από 11
συναντά την επιφάνεια του υγρού. Η διόρθωση της ανάγνωσης είναι αναγκαία αν η θερμοκρασία του δείγματος δεν είναι η θερμοκρασία αναφοράς των 15 C και γίνεται με τον παρακάτω πίνακα: Αναγωγή Αποτελεσμάτων στους 15 C Πυκνότητα σε 15 C gr / cm 3 Συντελεστής Διόρθωσης ανά 1 C Πυκνότητα σε 15 C gr / cm 3 Συντελεστής Διόρθωσης ανά 1 C 0,5967 0,6049 0,00103 0,7422 0,7534 0,00079 0,6050 0, 6133 0,00101 0,7535 0,7646 0,00077 0,6134 0,6219 0,00099 0,7647 0,7757 0,00076 0,6220 0,6319 0,00097 0,7758 0,7866 0,00074 0,6320 0,6418 0,00095 0,7867 0,7984 0,00072 0,6419 0,6529 0,00094 0,7985 0,8020 0,00070 0,6530 0,6648 0,00092 0,8021 0,8279 0,00068 0,6649 0,6773 0,00090 0,8280 0,8594 0,00067 0,6774 0,6897 0,00088 0,8595 0,9245 0,00065 0,6898 0,7023 0,00086 0,9246 1,0243 0,00063 0,7024 0,7164 0,00085 1,0244 1,0742 0,00061 0,7165 0,7298 0,00083 1,0743 1,1241 0,00059 0,7299 0,7421 0,00081 ΠΤΗΤΙΚΟΤΗΤΑ - ΑΠΟΣΤΑΞΗ Η πτητικότητα, δηλαδή η τάση του καυσίμου να εξατμιστεί, είναι η ιδιότητα του καυσίμου που επηρεάζει την ικανότητά του να εξατμιστεί και να σχηματίσει αναφλέξιμο μίγμα όταν αναμιχθεί με αέρα. Η πτητικότητα των καυσίμων ελέγχεται θέτοντας όρια σε συγκεκριμένα σημεία της καμπύλης απόσταξης. Η καμπύλη απόσταξης των αεροπορικών καυσίμων προσδιορίζεται σύμφωνα με τη μέθοδο ASTM D-86. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή καταγράφεται η θερμοκρασία στην οποία συμπυκνώνεται συγκεκριμένος όγκος καυσίμου, ο οποίος έχει εξατμιστεί από αρχικό όγκο δείγματος 100 ml. Σελίδα 10 από 11
Η απόσταξη κατά ASTM γίνεται σε στήλη μιας θεωρητικής βαθμίδας (δε δίνει δηλαδή δυνατότητα ικανοποιητικού διαχωρισμού του καυσίμου σε συστατικά). ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Στον παρακάτω πίνακα να συμπληρώσετε τα κενά. Τι παρατηρείτε ως προς την ποιότητα ανάφλεξης για κάθε καύσιμο; Καύσιμο Πυκνότητα Πυκνότητα Θερμοκρασία στους 15 C kg / m 3 C kg / m 3 T 10 T 50 T 90 Δείκτης C C C Κετανίου 838,2 15 + 2x 241 278 334 15 - x 53 93 169 24,6 15 + x 46 92 165 16,1 15 + 0,5x 805,5 184 210 246 834,7 15 0,5x 230 276 329 15 + 1,5x 800,6 175 201 238 15 1,5x 43 69 169 8,66 821,9 15 2x 222 263 311 15 + 2x 798,4 168 197 236 15 - x 799,4 170 199 236 15 + x 800,0 170 199 238 838,4 15 + 0,5x 232 279 336 834,9 15 0,5x 236 274 326 15 + 1,5x 48 87 170 15,8 X = αριθμός γραμμάτων του επωνύμου σας. Π.χ. το επώνυμο Παπαγιάννης έχει 11 γράμματα. Άρα x = 11. 2. Κατασκευάστε την καμπύλη απόσταξης του καυσίμου που μετρήσατε στο εργαστήριο και υπολογίστε το Δείκτη Κετανίου του. Σελίδα 11 από 11