Основные эксплуатационные свойства

Дизельных топлив

Дизельные топлива – высокостабильные нефтепродукты в условиях транспортирования и хранения. Без изменения качества они могут храниться в резервуарах не менее 10 лет, а в автоцистернах, бочках и канистрах – 5 лет.

К основным эксплуатационным свойствам дизельных топлив относятся:

– прокачиваемость;

– воспламеняемость;

– испаряемость;

– коррозионность.

Эти свойства оказывают наибольшее влияние на эффективность и надёжность работы двигателя.

1. Прокачиваемость дизельных топлив характеризуется такими показателями качества, как вязкость, коэффициент фильтруемости, содержание механических примесей и воды, температуры помутнения и застывания.

Коэффициент фильтруемости оценивают по изменению пропускной способности фильтра при последовательном пропускании через него определённых количеств топлива.

Вязкость дизельного топлива определяют по времени протекания определённого количества топлива через капилляр вискозиметра при 20 °С.

Вязкость влияет на эффективность подачи топливного насоса, на гидравлические потери напора в трубопроводах и на фильтре, на действительный угол опережения впрыска, качество распыливания и износ деталей топливной аппаратуры. Верхний предел вязкости дизельных топлив определяется максимально допустимыми потерями напора в топливной системе, а также размерами капель топлива, впрыскиваемого форсункой в камеру сгорания. Для большинства современных быстроходных дизелей максимальное значение вязкости находится в пределах 6–6,5 сСт при 20 °С для топлива Л. Дальнейшее повышение вязкости вызывает ухудшение распыливания, т. е. сильное увеличение размеров капель распыливаемого топлива, а это ведёт к неполному сгоранию и дымлению. Кроме того, повышение вязкости ухудшает прокачиваемость топлив при низких температурах. Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры:

1 – топливо ДЗ; 2 – топливо Л; 3 – топливо ДЛ.

По мере уменьшения вязкости снижается коэффициент подачи топливного насоса, зависящий от величины утечки топлива через зазоры в плунжерной паре (рис. 3.4).

Дизельное топливо является смазочным материалом в прецизионных парах топливной аппаратуры системы питания дизельных двигателей. Нижний допустимый предел вязкости топлив определяется условиями смазки прецизионных пар и однородности распыливания топлива. Этот предел составляет примерно 1,5 сСт для арктического топлива. Оптимальная вязкость дизельного топлива в топливной аппаратуре высокого давления составляет 2–2,5 сСт.

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента подачи топливного насоса от вязкости топлива:

1 – при n = 100 мин^-1; 2 – при n = 1400 мин^-1

Повышенный износ топливной аппаратуры, недостаточное давление впрыска и, как следствие, перерасход топлива, уменьшение ресурсов двигателей являются причинами, по которым нецелесообразно применять зимние и особенно арктические марки дизельного топлива в условиях положительных температур.

Кроме того, следует иметь в виду, что стоимость производства дизельного топлива возрастает по мере улучшения его низкотемпературных свойств.

Низкотемпературные свойства дизельных топлив, в частности их прокачиваемость при низких температурах, характеризуются крутизной вязкостно-температурной кривой и температурами помутнения и застывания. Зависимость крутизны вязкостно-температурной кривой дизельных топлив от вязкости при 20 °С показана на рис. 3.3. Однако прокачиваемость дизельных топлив, особенно фильтруемость при низких температурах, в большей степени зависит от температуры их помутнения и застывания.

Температура помутнения соответствует температуре начала образования кристаллов высокоплавких углеводородов, вследствие чего топливо теряет свою прозрачность. Образующиеся кристаллы способны забивать топливные фильтры и даже образовывать вокруг фильтрующего элемента «парафиновую рубашку». Тем самым нарушается подача топлива к форсункам.

Повышенное количество сернистых соединений ухудшает прокачи-ваемость топлив через фильтрующие элементы из-за образования в объёме топлива коллоидных частиц из твёрдых углеводородов и полярных сернистых соединений, геометрические размеры которых значительно превосходят размеры пор фильтрующих элементов. Поэтому дизельные топлива с массовой долей серы 1% имеют худшую фильтруемость в топливных системах дизелей.

Температуре застывания соответствует температура, при которой топливо в условиях испытания перестаёт быть подвижным в результате образования структурного каркаса из высокоплавких углеводородов, входящих в состав топлива. Это такая температура, при достижении которой топливо, в наклонённой под углом 45° пробирке, сохраняет мениск перпендикулярно оси пробирки в течение не менее одной минуты. В динамических условиях этот каркас разрушается и в ряде случаев возможна перекачка топлива при температуре на 10…15 °С ниже температуры его застывания. Однако осколки структурного каркаса вместе с кристаллами углеводородов забивают фильтры, поэтому температура дизельного топлива должна быть выше температуры его помутнения.

В связи с возрастающими объёмами потребления дизельных топлив для улучшения их низкотемпературных свойств используют депрессорные присадки. Эти присадки позволяют значительно снизить температуру застывания, улучшить прокачиваемость топлива при низких температурах и мало влияют на температуру помутнения. Наиболее эффективными депрессорными присадками являются соединения полимерного типа, среди которых промышленное применение получили сополимеры этилена с винилацетатом. За рубежом эти присадки выпускаются под названием “Парадин” и другими в виде раствора в толуоле. При введении в концентрации 0,02–0,1% присадки снижают температуру застывания дизельных топлив на 20…30 °С [1].

2. Воспламеняемость дизельных топлив определяется их химическим составом. Воспламеняемость оказывает влияние на продолжительность пуска, мощность, экономичность и надёжность работы двигателя. При низких температурах влияние цетанового числа на продолжительность пуска двигателя сказывается сильнее, чем при высоких.

Влияние воспламеняемости топлива на основные параметры рабочего процесса, мощностные и экономические показатели дизельного двигателя показано на рис. 3.5, 3.6 и 3.7. Это влияние зависит от конструкции двигателя и режимов его работы.

Рис. 3.5. Влияние цетанового числа на длительность периода нарастания давления :

1 – четырёхтактный двигатель при , n = 900 мин ^-1; 2 – двухтактный двигатель при , n = 900 мин ^-1; 3 – двухтактный двигатель при , n = 1800 мин ^-1.

Рис. 3.6. Влияние цетанового числа на жесткость работы дизеля

(кривая 1) и удельный расход топлива (кривая2)

Рис. 3.7. Зависимость продолжительности пуска дизеля от цетанового числа топлива при различных температурах воздуха (n = 100 мин ^-1)

Для современных дизельных двигателей оптимальное значение цетанового числа применяемых топлив лежит в пределах 40–50 единиц. Товарные топлива, вырабатываемые по ГОСТ 305-82, вполне удовлетворяют современным требованиям дизелестроения по воспламеняемости.

Для работы дизельных двигателей в условиях пониженных температур желательно применение дизельных топлив с более высоким цетановым числом.В то же время, добавление в зимних условиях в дизельное топливо керосина и бензина понижает цетановое число смеси. Повышение цетанового числа за счёт утяжеления фракционного состава ухудшает низкотемпературные свойства дизельного топлива, в частности ухудшает его испаряемость и прокачиваемость.

Для повышения цетанового числа и улучшения испаряемости без отрицательного влияния на другие эксплуатационные свойства, топлива подвергают депарафинизации с последующим добавлением активирующих присадок. В качестве этих присадок наиболее широко применяют такие кислородосодержащие соединения, как органические перекиси, различные эфиры азотной кислоты (изопропилнитрат, этилнитрат, циклогексилнитрат) и др. Механизм их действия основан на образовании после реакций с топливом перекисей, разложение которых ускоряет предпламеные процессы и сокращает ПЗВ.

Наиболее интенсивный прирост цетанового числа наблюдается при добавлении 1–2% активирующих присадок. Так, введение 1% изопропил-нитрата повышает цетановое число дизельного топлива на 10–13 единиц, в связи с чем он используется для улучшения воспламеняемости и пусковых свойств арктических топлив, получаемых с помощью кренинга.

Воспламеняемость дизельного топлива оценивают по цетановому числу, которое определяют на специальных стандартных установках, например ИТД – 69 с рабочим объёмом цилиндра двигателя 652 см³ и переменной степенью сжатия.

Оценить воспламеняемость дизельного топлива можно и расчётным путём с помощью эмпирических формул, которые пригодны для топлив прямой перегонки без присадок, кроме топлива широкого фракционного состава, содержащего бензиновые и керосиновые фракции:

или ,

где - плотность топлива, г/см³ при 15 и 20 °С;

t_cp – средняя температура кипения топлива, °С;

– кинематическая вязкость при 20 °С, мм²/с [сСт].

За рубежом воспламеняемость определяют по дизельному индексу. Соответствие с цетановым числом [5]:

Дизельный индекс 20 30 40 62 70 80

Цетановое число 30 35 40 55 60 80

3. Испаряемость дизельного топлива, в основном, характеризуется его фракционным составом, в частности температурами выкипания 50 и 96% фракций.

Испаряемость дизельных топлив взаимосвязана с воспламеняемостью и оказывает влияние на лёгкость и продолжительность пуска холодного двигателя, на скорость и теплоту сгорания топлива в цилиндре и, в конечном итоге, на эффективность рабочего процесса двигателя.

Наличие в топливе лёгких, особенно бензиновых фракций, способствует быстрому испарению топлива в камере сгорания. Однако лёгкие фракции имеют наибольший ПЗВ. Цетановое число бензинов можно определить по эмпирической формуле:

ЦЧ = 60 – 0,5 ОЧИ.

Кроме того, из-за быстрого испарения большого количества топлива, температура в камере сгорания сильно понижается, что ещё больше увеличивает ПЗВ. Всё это приводит к затруднению пуска и жёсткой работе двигателя. На сильно облегченном топливе эффективность работы дизеля снижается даже тогда, когда воспламеняемость его повышена добавлением присадки. В основном это обусловлено образованием переобогащённой смеси вблизи форсунки и сильным обеднением в остальной части камеры сгорания.

Топливо тяжёлого фракционного состава, хотя и имеет очень малый ПЗВ, однако из-за недостаточной температуры в камере сгорания испаряется очень медленно, в результате чего пуск холодного двигателя, особенно при отрицательных температурах, также затруднён (рис. 3.8). Даже прогретый быстроходный двигатель при работе на тяжёлых топливах не развивает максимальную мощность и дымит из-за неполного сгорания топлива.

Рис. 3.8. Влияние t_50% дизельного топлива на продолжительность пуска дизеля t_пус (цифры у точек – цетановые числа)

Полнота сгорания, дымление и отложения в камере сгорания двигателя зависят от условий испарения, смешения и горения остающейся тяжёлой части топлива. В жидком остатке испаряющихся капель сосредоточиваются высокомолекулярные углеводороды и гетероорганические соединения.

Для снижения дымления применяются специальные антидымные присадки к дизельным топливам. Среди таких присадок наиболее эффективны соединения бария, способствующие уменьшению размеров частиц образующейся сажи и её быстрому и полному сгоранию. При добавлении барийсодержащих присадок к дизельным топливам содержание сажи в отработавших газах может быть уменьшено на 70–90%, а выбросы в атмосферу канцерогенных веществ – на 60–80%. Бариевые присадки не изменяют мощностные и экономические показатели дизеля и существенно не влияют на износ деталей топливной аппаратуры [5].

4. Коррозионность дизельных топлив проявляется в условиях хранения, транспортирования и при применении в двигателе.

Коррозионно-активными соединениями в топливе являются:

– органические кислоты;

– сернистые соединения, а также свободная сера;

– вода;

– минеральные кислоты и щёлочи.

Эти соединения могут быть в составе топлива (первые два), а также попадать в топливо извне.

Органические кислоты, как и все слабые кислоты, наибольшую агрессивность проявляют по отношению к цветным металлам. При достаточно больших концентрациях они коррозируют и чёрные металлы – детали топливоподающей аппаратуры и двигателя. Вода усиливает их действие.

При хранении дизельных топлив в них происходят окислительные процессы, ускоряющиеся в условиях повышенных температур, каталитического действия металлов и поступления кислорода воздуха. Образование органических кислот также ускоряется под действием присадок типа органических перекисей и алкилнитратов, добавляемых в качестве активирующих. Однако, скорость образования органических кислот без доступа свежего воздуха и при температурах ниже +50 °С незначительна.

Коррозионное действие серы и сернистых соединений проявляется в жидкой фазе и газообразных продуктах сгорания. В жидкой фазе наиболее активны сероводород и меркаптаны. Другие соединения действуют слабее.

Сероводород корродирует чёрные и цветные металлы и в условиях хранения и применения является наиболее опасным, поэтому из топлива его удаляют полностью.

Меркаптаны вызывают износ топливной аппаратуры, усиливающийся в присутствии воды (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Влияние меркаптанов на коррозию плунжерных пар топливного насоса:

1– малосернистое топливо с общим содержанием серы до 0,2%; 2, 3 и 4 – сернистые топлива (содержание серы – 1%) с содержанием меркаптанов соответственно 0,009; 0,025 и 0,07%.

По отношению к топливной аппаратуре коррозионность топлив 1 и 2 видов с содержанием меркаптантов до 0,01% примерно одинакова, хотя эти топлива имеют различное содержание серы.

При содержании серы более 0,5%, её действие проявляется после сгорания в цилиндрах двигателя. Образующиеся оксиды SO₂ и SO₃ способны вызвать газовую коррозию камеры сгорания, тарелки и седла выпускного клапана и практически всего выпускного тракта двигателя. При понижении температуры ниже точки росы оксиды взаимодействуют с водой, образуя сернистую и серную кислоты, вызывая кислотную коррозию. Серная кислота H₂SO₄ более агрессивна. Интенсивность образования оксидов серы зависит от температуры, давления и состава горючей смеси.

Кислотная коррозия происходит обычно после остановки двигателя и ей подвержены также детали картера вследствие прорыва туда части газов из камеры сгорания. Масляная плёнка снижает корродирующее действие.

Современные моторные масла содержат высокоэффективные присадки, значительно снижающие коррозионное воздействие при работе на топливе с содержанием серы 0,5–1,0%. Наблюдаемое воздействие аналогично работе двигателя на топливе с содержанием серы до 0,2%. Это такие масла, как М 6з/10В; М 8В₂; М 8Г₂; М 10Г₂ и др.

Минеральные кислоты и щёлочи НСl, H₂SО₄, КОН, NaOH и др. коррозионно-агрессивны в высокой степени. Источник этих соединений в топливе – случайное попадание в средства хранения и транспортирования или неполная промывка этих средств после ремонта или очистки неорганическими растворами.

Коррозионность дизельных топлив оценивают по таким показателям их качества как массовая доля серы, содержание меркаптановой серы, сероводорода, испытание на медной пластинке, содержание воды, водорастворимых кислот и щелочей, кислотность.

5. Показатели качества дизельных топлив, их определение и сущность.

Кроме вышеупомянутых показателей о качестве дизельного топлива судят ещё и по следующим показателям качества:

– испытание на медной пластинке – пластинку из электролитической меди размером 40х10х2 мм полируют до блеска, обезжиривают, помещают в горючее и выдерживают при температуре 50 ± 2 °С в течение трёх часов. Появление на пластинке плёнок, налётов чёрного, серого, тёмно-коричневого цвета или чёрных точек является признаком наличия в горючем свободной серы или активных сернистых соединений. Малиновые пятна и разводы признаком присутствия активной серы не служит;

– водорастворимые кислоты и щёлочи (ВКЩ) определяют переводя их в воду. В образующуюся водную вытяжку добавляют индикаторы: метиловый оранжевый (Н⁺) и фенолфталеин (ОН^-). Изменение окраски индикаторов указывает на содержание кислот или щёлочей;

– содержание фактических смол (высокомолекулярных смолоподобных веществ) определяют выпариванием испытуемого горючего в струе водяного пара с последующим взвешиванием образовавшегося остатка. Содержание фактических смол можно определить по сжиганию топлива на часовом стекле. По величине диаметра остающегося жёлтого (коричневого) пятна судят о содержании смол;

– кислотность определяют по необходимому количеству щёлочи КОН для нейтрализации кислот в 100 см³ топлива;

– йодное число пропорционально содержанию непредельных углеводородов. Это количество йода необходимое для реакции с олефинами, находящимися в 100г топлива;

– зольность характеризует абразивность продуктов сгорания топлива. После полного сгорания на воздухе фильтра, пропитанного топливом, определяют количество золы на аналитических весах. Предварительно определяют массу золы после сгорания чистого фильтра;

– коксуемость топлива определяют выпариваем паров с их сжиганием, прокаливанием остатка и определением его количества. Коксуемость определяет интенсивность нагарообразования в камере сгорания;

– коэффициент фильтруемости заключается в фиксировании времени фильтрации первой порции топлива объёмом в 2 мл ( ) и десятой ( ) через фильтр. Коэффициент фильтруемости указывает на количество механических примесей в топливе.