Топлива для дизельных двигателей.

Дизельное топливо после бензина относится к самым массовым продуктам, применяемым на автомобильном транспорте. Дизельные двигатели по сравнению с карбюраторными обладают лучшей топливной экономичностью, удельный расход топлива у них примерно на 30 % ниже, чем у карбюраторных двигателей.

Дизельным топливом называется нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурами кипения в пределах от 200 до 350º С.

По внешнему виду дизельное топливо представляет собой прозрачную, по сравнению с бензином более вязкую жидкость, окрашенную имеющимися в ее составе смолами в цвета от желтого до светло-коричневого. Дизельное топливо легче воды и практически в ней не растворяется.

Дизельное топливо производиться из отбензиненной нефти, благодаря чему увеличивается выход из нефти жидких топлив.

Технико-экономические требования к дизельным топливам.

Дизельное топливо должно:

· бесперебойно поступать в цилиндры двигателя при любых температурах (сохранять подвижность до возможно более низких температур) и обеспечивать легкий пуск двигателя:

· обеспечивать хорошее распыление и смесеобразование в цилиндрах двигателя;

· легко воспламеняться и плавно сгорать, обеспечивая мягкую и бездымную работу двигателя;

· быть в необходимой степени химически стабильными;

· обладать минимальным коррозионным воздействием на металлы;

· не содержать механических примесей и воды.

Вязкость дизельных топлив.

Вязкость дизельного топлива , равно как и других жидкостей, характеризует его подвижность, величину внутреннего трения, взаимную силу сцепления молекул. Она может быть выражена в единицах динамической и кинематической вязкости. Для дизельного топлива указывается кинематическая вязкость.

Динамическая вязкость измеряется величиной внутреннего трения. Единицей динамической вязкости является пуаз(П). динамическую вязкость в 1П имеет такая жидкость, у которой между двумя бесконечно тонкими слоями площадью 1 см², находящимися друг от друга на расстоянии 1 см и перемещающимися с относительной скоростью 1 см/с, возникает сила равная 1 дине.

Кинематическая вязкость измеряется удельным коэффициентом внутреннего трения и представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности при температуре определения, т.е

= см²/с,

где - плотность жидкости при той же температуре, г/см³.

Единицей кинематической вязкости является стокс(Ст). Кинематическую вязкость в 1 Ст имеет жидкость, у которой динамическая вязкость равна 1П и плотность 1 г/см³. Сотая доля стокса называется сантистоксом (сСт).вязкость дистиллированной воды при 20,2º С равна 1 сСт.

К основным требованиям по качеству дизельного топлива относиться прокачиваемость его по топливной системе, обеспечивающая подачу топлива в цилиндры двигателя в необходимом для заданного режима количестве.

Одним из показателей, которым оценивается прокачиваемость, является вязкость. Вязкость топлива влияет непосредственно на процесс образования смеси. От нее зависит надежность и ресурс топливной аппаратуры двигателя. Топливо с чрезмерно высокой вязкостью будет оказывать значительное сопротивление при движении по трубопроводам, через фильтры, отверстия форсунок и т.д. При использовании топлива с очень низкой вязкостью ухудшается смазка деталей насоса высокого давления и нарушается дозировка подачи топлива. Кроме того, при использовании топлива с малой вязкостью дальнобойность его струи оказывается недостаточной вследствие чрезмерного распыливания. Недостаточная вязкость приводит к неоднородности рабочей смеси, ухудшению процесса сгорания и перегреву форсунок. Капли высоковязкого топлива получаются крупными, с излишне большой дальнобойкостью образующегося из них факела, что ведет к замедленному их испарению и частичному оседанию на днище поршня, а также на стенки камеры сгорания.

Из выше сказанного следует, что топливо для быстроходных дизельных двигателей должно обладать оптимальной вязкостью (при 20º С) и находиться для летней эксплуатации в пределах 3,0-6,0, для зимней 1,8-6,0, для арктических условий – в пределах 1,5- 4,0 мм²/с.

Помутнение и застывание дизельных топлив.

Помимо вязкости прокачиваемость дизельного топлива оценивается температурами помутнения и застывания.

При понижении температуры наружного воздуха может быть нарушена подача дизельного топлива по системе питания, что происходит вследствие кристаллизации высокоплавких углеводородов, кристаллы которых постепенно оседают на фильтрах и прекращают подачу топлива к двигателю. Показателем, характеризующим начало кристаллизации в дизельном топливе углеводородов, является температура помутнения.

Температурой помутнения называется температура, при которой в безводном прозрачном дизельном топливе в процессе охлаждения и выделения микрокристаллов парафина и церезина появляются первые признаки помутнения, видимого невооруженным глазом.

Рис.76.

При дальнейшем понижении температуры отдельные кристаллики, сращиваясь между собой, образуют ажурный кристаллический каркас, пронизывающий весь объем топлива. Потерю подвижности нефтепродуктов вследствие образования из кристаллизующихся углеводородов каркаса или структурной сетки принято называть застыванием.

Температурой застывания называется наивысшая температура, при которой дизельное топливо загустевает настолько, что не обнаруживает подвижности в течение 1 мин при наклоне стандартной пробирки с топливо на 45º.

Температура застывания является важнейшим показателем дизельного топлива и определяет возможность его использования при данной температуре воздуха. Минимальная температура воздуха, при которой может применяться дизельное топливо, должна быть выше температуры застывания на 10-15º С.

Температуры помутнения и застывания определяют с помощью специального прибора (Рис.76.).

Механические примеси и вода в дизельных топливах.

Дизельное топливо, как и бензины, не должно содержать механических примесей и воды.

При положительных температурах вода с топливом образует эмульсию, разрушающую фильтрующие элементы фильтров тонкой очистки, а при отрицательных температурах вода превращается в кристаллы льда, которые закупоривают топливные фильтры.

Содержание воды в нефтепродуктах, равное 0,025 %, принято называть следами. Такое количество воды допустимо только в летних дизельных топливах, которые разрешается применять в период с 1 мая по 1 октября.

Механические примеси могут попасть в дизельное топливо при его хранении, транспортировании и заправке автомобиля. Наибольший вред механические примеси наносят плунжерной паре насоса высокого давления, а так же форсунке. Механические примеси засоряют топливные фильтры, в результате чего затрудняется подача топлива.

Жесткая работа дизелей.

Топливо в цилиндры двигателя подается в жидкой фазе. С момента введения в цилиндр первой порции топлива начинается подготовка этой и последующих порций к сгоранию, на что требуется определенное время (t₁)(Рис.77.), называемое периодом задержки самовоспламенения (период задержки самовоспламенения складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешивание паров топлива с воздухом, а также времени, необходимого для завершения предпламенной реакции и формирования очагов самовоспламенения.).

Рис.77.

Если величина периода задержки укладывается в определенные пределы, то в работе дизеля не происходит недопустимых отклонений от нормы. Следствием увеличения задержки самовоспламенения (t₂) (Рис.77.) является очень интенсивное тепловыделение на первой стадии горения, в результате чего создается очень высокая скорость нарастания давления. Если при этом темп повышения давления превзойдет 0,6 МПа на один градус поворота коленчатого вала, то возникает ненормальная, а так называемая жесткая работа дизеля. При жесткой работе дизельного двигателя его детали работают с перегрузкой, что приводит к ускоренному их износу и поломкам, перерасходу топлива, дымному выпуску и снижению мощности.

Период задержки самовоспламенения складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешивание паров топлива с воздухом, а также времени, необходимого для завершения предпламенной реакции и формирования очагов самовоспламенения.

Фракционный составхарактеризует испаряемость дизельного топлива. У дизельных двигателей смесеобразование происходит за 20-40º поворота коленчатого вала и составляет всего лишь 0,001 – 0,004 с, т.е. примерно в 10-15 раз меньше, чем у карбюраторных двигателей. При таком ограниченном времени однородная качественная рабочая смесь может быть получена только при достаточно хорошем распыливании и испаряемости топлива.

Топливо с утяжеленным фракционным составом вследствие плохой его испаряемости приводит к несвоевременному воспламенению и плохому сгоранию, смыванию масла со стенок цилиндров, повышенному износу, ухудшению топливной экономичности.

В отличие от бензинов фракционный состав дизельного топлива определяется лишь температурами выкипания 50 и 96 % топлива. Это связано с тем. Что между температурой выкипания 10 % дизельного топлива и работой дизеля однозначной связи не установлено. При облегчении топлива ухудшается пуск дизелей, так как легкие фракции имеют худшую по сравнению с тяжелыми фракциями самовоспламеняемость. В связи с этим пусковые свойства дизельного топлива для автомобилей в какой-то степени определяет температура выкипания 50 % топлива. Температура выкипания 96 % топлива является температурой конца кипения и регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов.

Самовоспламеняемость дизельных топлив.

Самовоспламеняемостью дизельного топлива называется способность его паров воспламеняться без источника зажигания.

Это свойство в значительной мере определяет подготовительную фазу процесса сгорания – период задержки самовоспламенения.

Метод оценки самовоспламеняемости дизельных топлив аналогичен методу оценки детонационной стойкости бензина. В том и другом случаях испытуемый образец сопоставляется с эталонными топливами на специальных незначительно различающихся друг от друга по устройству одноцилиндровых двигателях серии ИТ9 (ИТ9-3 – одноцилиндровый двигатель с переменной степенью сжатия ( = 7 23) метод совпадения вспышек по ГОСТ 3122-67).

Эталонную смесь составляют из двух углеводородов высокой степени частоты: цетан (нормальный гексадекан) С₁₆Н₃₄ и альфаметилнафталин С₁₀Н₇СН₃. Самовоспламеняемость первого условно принята за 100 ед., а второго за 0 ед.

Цетановым числом топлива называется показатель его самовоспламеняемости, численно равный процентному (по объему) содержанию цетана в такой его смеси с альфаметилнафталином, которая равноценна данному топливу по самовоспламеняемости при испытании в стандартном двигателе.

Цетановые числа дизельных топлив зависят от их углеводородного состава, структуры и молекулярной массы. Наиболее высокие цетановые числа у парафиновых углеводородов, более низкие у нафтеновых и самые низкие у ароматических. Содержание парафиновых углеводородов в дизельных топливах ограничивается, что связано с высокими температурами их помутнения и застывания. Нафтеновые углеводороды присутствуют в дизельных топливах в значительных количествах, так как имеют удовлетворительные цетановые числа и температуры застывания.

Оптимальное цетановое число дизельных топлив находится в интервале 40-50. Применение топлива с цетановым числом менее 40 приводит к жесткой работе двигателя, а более 50 – нецелесообразно, так как снижается экономичность двигателя (из-за уменьшения полноты сгорания топлива), наблюдается дымный выпуск отработавших газов и перегрев форсунки. При возрастании цетанового числа улучшаются пусковые свойства топлива.

Повышение цетанового числа дизельных топлив достигается двумя способами: воздействием на их химический состав и введением специальных присадок.

Первый способ заключается в одновременном увеличении концентрации нормальных парафинов и снижении содержания ароматических углеводородов ( этот метод не приемлем для повышения цетанового числа зимних марок дизельного топлива, так как нормальные парафины имеют повышенные по сравнению с углеводородами других гомологических рядов температуры плавления.)

Второй способ основан на введении в дизельное топливо специальных кислородосодержащих присадок, к которым относятся органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты (этилнитрат, изопропилнитрат или цеклогексилнитрат) и др.

Эти присадки, являясь сильными окислителями, ускоряют зарождение и развитие реакций с образованием из топлива перекисей, от разложения которых ускоряется весь комплекс предпламенных процессов.

Химическая стабильность дизельных топлив.

Дизельные топлива, полученные при разгонки нефти с малым содержанием сернистых соединений обладают высокой химической стабильностью и способны храниться длительное время без изменения своих свойств (до пяти лет и более). Меньшей химической стабильностью обладают дизельные топлива, содержащие в своем составе значительное количество олефинов и меркаптанов. Количество фактических смол в таких топливах постоянно увеличивается, что является следствием окисления олефинов и оказывает негативное влияние на работу системы питания и повышает нагарообразование в двигателе. В связи с выше сказанным стандартами на дизельные топлива ограничивается содержание в них фактических смол (в зимних марках не более 30, а в летних не более 40 мг на 100 мл топлива).

Еще одним показателем, отражающим содержание в дизельном топливе олефинов, является йодное число.

Йодным числом называется количество йода в граммах, которое способно присоединиться к 100 г нефтепродукта.

Чем больше олефинов в топливе, тем больше йодное число. Йодное число должно быть не более 6 г йода на 100 г летних и зимних марок дизельного топлива.

Следующим показателем, характеризующим, химическую стабильность дизельных топлив является наличие в их составе меркаптанов, которые помимо значительного коррозионного воздействия на элементы системы питания (плунжерные пары и детали форсунок) способны к химическим превращениям, в том числе и к реакциям окисления с образованием смол. Принимая во внимание большую коррозионную активность и малую химическую стабильность меркаптанов, разработана специальная методика для количественного определения в дизельных топливах и бензинах так называемой меркаптановой серы, т.е. выраженную в процентах долю топлива, которая приходиться на имеющуюся в меркаптанах серу. Содержание меркаптановой серы в бензинах и дизельных топливах не должно превышать 0.01 %.

Коррозионное воздействие дизельных топлив на металлы.

Коррозионные свойства дизельных топлив, как и бензинов, зависят от содержания в них серы, сернистых и кислородных соединений.

Присутствие водорастворимых кислот и щелочей в дизельных топливах не допускается.

Содержание органических кислот – кислотность не должна превышать 5 мг КОН на 100 мл топлива.

Износ деталей дизельных двигателей примерно пропорционален содержанию в топливе общей серы. В зависимости от этого показателя отечественные топлива для быстроходных дизелей делятся на два вида: первый - с содержанием серы до 0,2 %; второй – с содержанием серы до 0,5 %.

Склонность дизельного топлива к нагарообразованию оценивается его зольностью и коксуемостью. Зольность топлива характеризуется содержанием в нем несгораемых неорганических соединений, которые повышают абразивные свойства топлива.

Коксуемостью называют свойство топлива образовывать углистый остаток при нагреве без доступа воздуха.

Зольность и коксуемость топлива регламентируется в стандарте.

Марки дизельных топлив.

При эксплуатации автомобилей используются дизельные топлива трех марок: Л (летнее), З (зимнее), А (арктическое). В ГОСТ 305-82 имеется указание , что все три марки топлива получают из продуктов переработки нефти, в которые разрешается добавка присадок, допущенных к применению в установленном порядке. Все компоненты дизельных топлив обладают высокой стабильностью, поэтому для всех марок установлен гарантийный срок хранения в 5 лет. По общему содержанию серы каждая марка делится на две подгруппы. Общее содержание серы в процентах обязательно указывается в маркировке. В условное обозначение топлива марки А должны входить значение массовой доли серы и температура вспышки (Температура вспышки ограничивает содержание в топливе наиболее легких фракций и характеризует его огнеопасность. Температура вспышки - 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.), например Л-0,2-40; топливо марки З – массовая доля серы и температура застывания, например З-0,2-35; топливо марки А – массовая доля серы.

Все марки дизельных топлив, могут применяться для любого автомобильного дизеля. Выбор той или иной марки зависит только от времени года, климатических условий района и качества используемого масла. Топлива подгруппы II разрешается применять только для автомобильных дизелей, в которых используется масло с присадкой, сообщающей ему щелочную реакцию и уменьшающей коррозию деталей продуктами сгорания сернистых соединений.

В основе выбора марки для различных климатических условий лежит эксплуатационная оценка дизельных топлив по их низкотемпературным показателям. Летнее (Л) – для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0ºС и выше; зимнее (З) – для эксплуатации при -20º С и выше (с температурой застывания не выше -45º С); арктическое (А) – для эксплуатации при -50º С и выше (с температурой застывания -55º С).

Для применения в летний период при температуре окружающего воздуха до 5º С выпускаются дизельные топлива утяжеленного фракционного состава (УФС), которое имеет более высокую температуру конца кипения (на 20-30º С), что позволяет увеличить ресурс дизельного топлива на 5-8 % (ТУ 38.001.355-86).

Топливо расширенного фракционного состава (РФС), выкипающее в пределах 60-400ºС, позволяет увеличить ресурсы дизельного топлива до 30 % и имеет цетановое число около 40 (ТУ 38.401.652-87).

Для улучшения экологической обстановки в России начиная с 1991 г. организовано производство летнего экологически чистого дизельного топлива (ТУ 38.101.1348-90), которое отличается низким содержанием серы.

Установлены две марки дизельного летнего экологически чистого топлива:

ДЛЭЧ-В – с ограниченным содержанием ароматических углеводородов (один вид топлива с массовой долей серы не более 0,05 %, другой - не более 0, 1 %);

ДЛЭЧ – без ограничения содержания ароматических углеводородов (один вид топлива с массовой долей серы не более 0,05 %, другой - не более 0, 1 %).

ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ применяют при температуре окружающего воздуха до -5º С.

Для использования в районах Крайнего Севера и Арктики вырабатывается арктическое экологически чистое дизельное топливо (ТУ 38.401.5845-92), которое имеет температуру застывания -55ºС и содержит ограниченное количество ароматических углеводородов (5-10 %).

Для эксплуатации техники в зимний период при температуре до -15ºС вырабатываются дизельные зимние топлива с депрессорной присадкой ДЗп (ТУ 38.101.889-81), которые изготавливаются на основе летних дизельных топлив с содержанием серы 0,2 или 0,5 %. Дизельное топливо ДЗп-15/25 рекомендовано для применения при температуре наружного воздуха до -25º С.

На экспорт вырабатывается дизельное топливо ДЛЭ и ДЗЭ (ТУ 38.001.162-85) с содержанием серы 0,2 %.

В районах газовых месторождений Западной Сибири и Крайнего Севера допущены к применению газоконденсатные широкофракционные летнее (ГШЛ), зимнее (ГШЗ) и арктическое (ГША) дизельные топлива.