Характеристика качеств дизельного топлива

Дизельное топливо после бензина относится к самым массовым продуктам, применяемым на автомобильном транспорте.

К дизельным топливам предъявляют требования, аналогичные требованиям к бензинам, однако из них можно выделить специфические, обусловленные особенностями смесеобразования и воспламенения в дизелях: сохранение текучести и определенной вязкости при возможно более низких температурах с целью обеспечения надежной подачи в цилиндры двигателя, хорошие смесеобразование и воспламеняемость при впрыскивании в камеру сгорания. Данные требования заложены в физико-химические свойства дизельных топлив, которые определяют их эксплуатационные качества.

Наибольшее влияние на физико-химические свойства дизельных топлив оказывает вязкость, которая характеризует подвижность топлива, величину внутреннего трения, взаимную силу сцепления молекул.

Для дизельного топлива указывается кинематическая вязкость. От вязкости топлива зависит качество его распыливания в цилиндре, дальнобойность струи, четкость начала и конца подачи топлива форсункой.

Кинематическая вязкость в условиях летней эксплуатации топлива находится в пределах (3...6) · 10^–6 м²/с, зимней – (1,8...6) · 10^–6 м²/с, арктической – (1,5...4) · 10^–6 м²/с.

Плотность дизельных топлив тоже заметно влияет на смесеобразование. Для товарных дизельных топлив плотность составляет 830...875 кг/м³.

Испаряемость влияет на смесеобразование, а показателем, ее характеризующим, является фракционный состав. Облегченный фракционный состав характеризует лучшую испаряемость топлива, которая способствует образованию однородной горючей смеси. Однако при слишком высокой испаряемости на первой стадии горения в течение периода задержки воспламенения в цилиндре скапливается большое количество паров, при воспламенении которых давление резко нарастает и двигатель работает жестко, с повышенными ударными нагрузками. Кроме того, облегчение фракционного состава дизельного топлива ухудшает его воспламеняемость и ведет к трудности пуска двигателя.

Применение дизельных топлив с утяжеленным фракционным составом ведет к ухудшению распыливания, испарения и сгорания топлива. Такое топливо затрудняет пуск холодного двигателя, особенно при низких температурах. Поэтому к основным требованиям по качеству дизельных топлив относится прокачиваемость его по топливной системе, обеспечивающая подачу топлива в цилиндры двигателя в необходимом для заданного режима количестве. Она в свою очередь, помимо вязкости, оценивается еще рядом показателей: температурами помутнения и застывания, содержанием механических примесей и воды, коэффициентом фильтруемости, предельной температурой фильтруемости.

Таким образом, как и в карбюраторных двигателях, для дизелей требуется топливо определенного фракционного состава. Начало кипения этого топлива находится в пределах 180…200 °С. Стандартом на дизельные топлива контролируется только две температуры выкипания 50 и 96 % топлива. Это объясняется тем, что между температурой выкипания 10 % дизельного топлива и работой дизелей однозначной связи не установлено. При повышении температуры выкипания 10 % топлива, т. е. утяжелении топлива, увеличивается его расход и дымность отработавших газов. При облегчении топлива ухудшается пуск дизелей, так как легкие фракции имеют худшую по сравнению с тяжелыми фракциями самовоспламеняемость. Поэтому пусковые свойства дизельных топлив для автомобилей в некоторой степени определяет температура выкипания 50 % топлива. Температура выкипания 96 % топлива регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов. Установлено, что оптимальными являются следующие предельные значения t₉₆ для летнего периода эксплуатации 360 °С, зимнего – 340 °С, для арктических условий – 330 °С. Эти контрольные значения t₉₆ определены ГОСТом на дизельное топливо.

Наиболее важным эксплуатационным свойством является воспламеняемость дизельных топлив, которая в значительной степени определяет легкость пуска (воспламенение паров в камере сгорания без источника зажигания) и характер работы дизельного двигателя. О воспламеняемости дизельных топлив судят по длительности первой стадии горения – периоде задержки самовоспламенения (ПЗВ), представляющей собой время от начала впрыска топлива до появления первых очагов пламени, т. е. включает время, затрачиваемое на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешение паров топлива с воздухом (физическая составляющая), а также время, необходимое для завершения предпламенных реакций, и формирование очагов самовоспламенения (химическая составляющая). Физическая составляющая времени задержки воспламенения зависит от конструктивных особенностей двигателя, а химическая – от свойств применяемого топлива.

Склонность дизельного топлива к самовоспламенению оценивается по цетановому числу (ЦЧ), которое определяется на стандартной установке с одноцилиндровым дизельным двигателем.

Количественное определение цетанового числа основано на методе совпадения вспышек в цилиндре испытуемого топлива с эталонными топливами, воспламеняемость которых известна. Для регистрации вспышек используется специальный индикатор воспламенения, устанавливаемый в головке двигателя. В момент воспламенения под действием высокого давления в индикаторе замыкается электрический контакт и зажигается неоновая лампа, посредством которой и осуществляется регистрация вспышки. В качестве эталонных топлив используется цетан (С₁₆Н₃₄) и α-метилнафталин (С₁₁Н₁₀). Воспламеняемость цетана принята за 100 единиц, а α-метилнафталина – за нуль. Цетановым числом испытуемого топлива называется процентное (по объему) содержание цетана в эталонной смеси с α-метилнафталином, при которой обеспечивается при равной степени сжатия одинаковое значение ПЗВ. Цетановое число дизельных топлив составляет 45…58 единиц, однако оптимальное значение цетанового числа соответствует диапазону 40...50 ед.

В ряду важнейших показателей дизельных топлив является способность сохранять чистоту топливной аппаратуры и деталей двигателя, что вызвано образованием отложений нагара на форсунках с последующим изменением факела распыла, ухудшением смесеобразования, снижением экономичности двигателя и повышением дымности его выхлопа.

На способность дизельных топлив образовывать отложения влияют количественное содержание смолистых веществ и сернистых соединений, наличие непредельных и ароматических углеводородов, а также плотность и испаряемость.

В эксплуатационных условиях наибольший вред приносит присутствие в дизельном топливе смол. Основную часть смол составляют примеси, остающиеся после очистки нефтяных дистиллятов. Их количество контролируется так же, как и в бензинах – по содержанию фактических смол. В товарных дизельных топливах содержание фактических смол ограничено величиной 30...40 мг на 100 см³ топлива.

С повышением содержания в дизельных топливах непредельных углеводородов их стабильность при хранении снижается, а склонность к нагарообразованию возрастает. Поэтому количество непредельных углеводородов в дизельном топливе контролируется с помощью так называемого йодного числа. Йодное число представляет собой количество йода, реагирующее в определенных условиях с испытуемым топливом. Йодное число пропорционально содержанию непредельных углеводородов, в связи с чем в товарных дизельных топливах его величина не должна превышать 6 г йода на 100 г топлива.

При увеличении содержания в топливе ароматических углеводородов во всех случаях повышается образование нагара. Этому же способствует наличие серы и сернистых соединений.

В настоящее время основную часть дизельных топлив производят из сернистых нефтей. Поэтому основным методом контроля наличия активной серы являются коррозионные испытания на медную пластинку. Кроме того, дополнительно контролируется содержание меркаптановой серы, а также сероводорода. По этой причине, а также из-за ряда других отрицательных последствий содержание серы в дизельных топливах должно быть не более 0,2...0,5 % (в зависимости от вида топлива), меркаптановой серы – не более 0,01 %, а сероводород должен отсутствовать.

При сгорании дизельного топлива содержащиеся в нем сернистые соединения образуют окислы серы SO₂ и SО₃. При высокой температуре окислы серы корродируют металлы в газовой фазе. При низкой температуре они растворяются в конденсирующейся из продуктов сгорания воде, образуя коррозионно-агрессивные сернистую и серную кислоты.

Из-за комплексного характера склонности дизельных топлив к нагарообразованию для его более полной оценки используются показатели коксуемости и зольности. Коксуемостью называется свойство топлива образовывать отложения при нагреве до 800 – 900 °С без доступа воздуха. Продукты коксования (кокс) состоят в основном из углерода и высокомолекулярных соединений. Они отлагаются в виде твердого нароста главным образом на горячих деталях, не контактирующих непосредственно с зоной горения (внутри форсунок, на юбках поршней в области поршневых колец и др.). Контроль коксуемости осуществляется по содержанию кокса в 10 %-ном остатке топлива после перегонки, количество которого не должно превышать 0,3 % по всем маркам топлив.

После полного сгорания топлива в воздухе образуется минеральный остаток – зола, вызванный присутствием в топливе различных неорганических примесей. Из-за абразивных свойств золы она не только увеличивает нагар, но и ведет к повышенным износам в двигателе. Поэтому допустимое содержание золы в товарных дизельных топливах – зольность – ограничивается 0,01 %.

Как и в случае бензинов, причиной коррозионной агрессивности дизельных топлив является наличие таких соединений, как водорастворимые кислоты и щелочи, органические кислоты и сернистые соединения.

Присутствие водорастворимых кислот и щелочей в дизельных топливах не допускается. Содержание остальных агрессивных соединений в дизельных топливах контролируется, как и в бензинах, по показателю кислотности. Кислотность не должна превышать 5 мг КОН для нейтрализации 100 мг топлива.

Наличие прецизионных деталей в топливной аппаратуре и высокая тонкость фильтрации в дизельных двигателях предъявляют повышенные требования к чистоте дизельных топлив: в них не должно содержаться воды и механических примесей. Однако практика эксплуатации автомобилей свидетельствует о частых отклонениях от этих требований.

Прежде всего, при транспортировке, хранении и заправке возможно попадание в топливо атмосферной пыли, влаги, продуктов коррозии и осмоления топлива, а также других загрязнителей. В результате, как свидетельствуют обследования, содержание механических примесей и воды в баках автомобилей может достигать соответственно 0,06 и 0,12 % по массе.

Вода в дизельном топливе может послужить причиной нарушения его подачи в цилиндры двигателя при низкой температуре. При плюсовых температурах вода с топливом образует эмульсию, а при отрицательной она превращается в кристаллы льда, которые закупоривают топливные фильтры. ГОСТ на дизтопливо не разрешает присутствия в нем воды.

Содержание механических примесей зависит от степени запыленности воздуха: при сильной запыленности оно увеличивается в процессе эксплуатации в 2...3 раза.

При недостаточной водной промывке после щелочной очистки топлива в нем могут находиться натриевые мыла нафтеновых кислот – нафтенаты. Нафтенаты не растворяются в дизельных топливах и представляют собой студнеобразную массу, способную забивать бумажные фильтрующие элементы.

Присутствие в топливе всех видов загрязнителей контролируется таким показателем качества, как коэффициент фильтруемости. Он определяется на специальном приборе по степени забивки бумажного фильтра при протекании (фильтровании) испытуемого топлива. Коэффициент фильтруемости равен отношению времени (длительности) фильтрования последних 2 мл (десятой порции) испытуемого топлива ко времени фильтрования его первых 2 мл. Для товарных топлив величина коэффициента фильтруемости не должна превышать 3.

Соблюдение норм на коэффициент фильтруемости дизельного топлива обеспечивает минимальное содержание в нем всех видов загрязнителей и необходимую работоспособность топливной системы дизеля. В случае необходимости очистка топлива от загрязнения может быть осуществлена с помощью отстаивания и фильтрации.

Особенностью дизельных топлив является наличие довольно большого количества углеводородов, прежде всего парафиновых, с высокой температурой застывания. При понижении температуры эти углеводороды начинают выпадать из топлива в виде кристаллов, топливо мутнеет. Поэтому температуру, при которой топливо теряет прозрачность, вследствие начала процесса кристаллизации называют температурой помутнения. Хотя топливо при этом еще хорошо прокачивается, образующиеся микрокристаллы при низкой температуре подкапотного пространства (например, в период пуска) могут забить фильтр тонкой очистки и привести к прекращению подачи топлива. Поэтому принято, чтобы температура помутнения топлива была на 5...10 °С ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется автомобиль.

При дальнейшем охлаждении топлива количество микрокристаллов растет, они начинают сращиваться и образуют пространственную жесткую решетку, в результате чего топливо теряет текучесть. Температурой застывания называется такая температура, при которой находящееся в пробирке дизельное топливо при охлаждении в определенных условиях не изменяет положения мениска при наклоне пробирки на 45° в течение минуты. Образовавшуюся кристаллическую структуру можно разрушить с помощью перемешивания, однако при его прекращении топливо быстро вновь застывает. Для обеспечения нормальной работы дизеля температура застывания должна быть на 10...15 °С ниже температуры окружающей среды. Этот показатель служит приблизительным ориентиром при определении возможных предельных условий применения топлив, и в большей мере по этому показателю судят о возможностях заправки, транспортирования, слива и налива топлива.

Еще одним показателем, характеризующим дизельное топливо, является температура вспышки, которая ограничивает содержание в топливе наиболее легких фракций и характеризует его огнеопасность. Температура вспыш-ки – это та наименьшая температура, до которой нужно нагреть дизельное топливо в закрытом тигле, чтобы его пары образовали с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Температура вспышки должна быть не ниже 35 °С для всех марок дизельного топлива.