Дизельные топлива
Глава 3
Дизельные топлива
В 1891 году у немецкого изобретателя Рудольфа Дизеля появилась идея применить в двигателе внутреннего сгорания сжатый воздух. Такой двигатель стал более экономичным, мог работать на дешёвом топливе, кроме того, удалось значительно повысить его КПД.
28 февраля 1892 года Дизель подал заявку на изобретение «нового рационального теплового двигателя», а 23 февраля 1893 года получил немецкий патент № 67207.
Первые официальные испытания нового двигателя произвели настоящую сенсацию среди инженеров. С этого времени началось победное шествие «дизелей» по всему миру. Только за право производить его моторы Дизель в течение нескольких лет получил шестимиллионное состояние.
Двигатель мог работать на тяжёлых фракциях, что позволило существенно повысить процент использования составных компонентов нефти как топлива даже без применения деструктивного метода переработки.
Значительный вклад в совершенствование дизеля внесли русские учёные Г. В. Тринклер и Я. М. Манин. В 1898–99 годах на заводе Нобеля в Петербурге (позже – завод «Русский дизель») был создан дизельный двигатель, работавший на самом дешёвом топливе – сырой нефти.
3.1. Специфика рабочего процесса
дизельного двигателя
Специфической особенностью дизеля является то, что смесеобразование в нём происходит непосредственно в камере сгорания, а образовавшаяся рабочая смесь самовоспламеняется за счёт энергии адиабатически сжатого воздуха.
Условия испарения, смесеобразования и сгорания в дизеле существенно отличаются от условий протекания этих процессов в бензиновом двигателе.
Рекомендуемые материалы
Впрыск топлива производится в среду нагретого до 500…700 оС и сильно сжатого воздуха. Степень сжатия дизельных двигателя достигает 18 и более единиц. Для получения хорошего распыла и смесеобразования необходимо добиться среднего диаметра капель топлива 0,1–0,01 мм. Топливо в цилиндры подаётся под давлением 150–180 МПа. Для этого используется специальная аппаратура, включающая насосы и форсунки, где имеется ряд деталей прецизионного изготовления. Вследствие этого топливная система дизеля гораздо сложнее, чем у бензинового двигателя.
Кроме того, топливо выполняет ещё и роль смазочного материала деталей высокоточного изготовления в топливной аппаратуре.
Процесс смесеобразования включает:
– распыливание подаваемой в цилиндр порции топлива;
– распределение капелек топлива в камере сгорания;
– нагрев топлива до температуры испарения;
– испарение и диффузию паров топлива;
– нагрев паров до температуры самовоспламенения.
В быстроходных дизелях смесеобразование осуществляется в весьма короткие промежутки времени – за 0,003–0,006 с, а период задержки воспламенения, т. е. времени от начала подачи топлива в цилиндр до появления первых очагов пламени, – 0,0015–0,003 с.
К началу воспламенения процессы смесеобразования не успевают завершиться во всём объёме камеры и продолжают развиваться одновременно с процессом горения топливовоздушного заряда. При этом вследствие повышения температуры скорости процессов физико-химической подготовки ещё не участвующего в горении топлива значительно возрастают. Однако в дальнейшем условия воспламенения и сгорания топлива, особенно последние части впрыскиваемой порции, ухудшаются из-за недостаточного подвода кислорода в зону реакции и фракционирования при испарении капель топлива (в последнюю очередь испаряются и участвуют в горении высококипящие углеводороды с большой молекулярной массой). В этих условиях горение последних порций топлива замедляется, особенно при повышенных нагрузках, когда объём впрыскиваемой дозы увеличивается. Восстановившийся углерод не сгорает, и с отработанными газами выбрасывается в атмосферу, что является одной из причин дымления дизеля.
На рис. 3.1 показана индикаторная диаграмма рабочего процесса двигателя с воспламенением от сжатия, развёрнутая по углу поворота коленчатого вала.
Рис. 3.1. Развёрнутая индикаторная диаграмма рабочего процесса дизельного двигателя
Пунктиром показано изменение давления в камере сгорания неработающего двигателя. В непрерывном рабочем процессе можно условно выделить три стадии:
1. Процессы, протекающие в камере сгорания от момента начала впрыска (точка 1) до образования очага пламени, т. е. период задержки воспламенения (ПЗВ). С момента образования очага пламени начинается резкое повышение давления, и этот момент характеризуется на индикаторной диаграмме точкой отрыва линии давления работающего двигателя (точка 2) от линии сжатия.
Во время ПЗВ происходит распыливание, смешение и испарение топлива, а также его предпламенные превращения, заканчивающиеся в некоторых частях смеси образованием первичных очагов горения. К началу воспламенения достаточно глубокие химические процессы окисления успевают произойти в незначительной части топливного заряда.
2. Распространение турбулентного горения топливовоздушной смеси. Вторая стадия начинается с момента самовоспламенения (точка 2) и длится до точки 3. После образования первоначальных очагов воспламенения и начавшегося турбулентного горения возможно образование и новых очагов, от которых также распространяется фронт пламени по горючей смеси. Если предпламенная подготовка смеси в первой стадии развивается недостаточно быстро, то к моменту начала воспламенения в камере сгорания накапливается излишне большое количество гетерогенной топливовоздушной смеси и практически одновременно возникает большое количество начальных очагов воспламенения. В этих случаях зона реакции может распространяться за счёт самоумножения очагов воспламенения – последовательного самовоспламене-ния предварительно подготовленной горючей смеси. Такое горение обычно приводит к высокой скорости нарастания давления в камере сгорания и жёсткой работе двигателя.
3. Догорание рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Оно происходит в условиях высоких температур и уменьшенной концентрации кислорода при движении поршня к нижней мёртвой точке. В фазе догорания существенное влияние на скорость горения оказывает повышенная концентрация продуктов сгорания. От количества смеси, догорающей в третьей стадии, и условий догорания зависят полнота сгорания топлива и дымление двигателя.
Мягкая и жёсткая работа двигателя определяется скоростью нарастания давления в камере сгорания при повороте коленчатого вала (п.к.в.) на один градус. Определяющим фактором при этом является период задержки самовоспламенения топлива.
Средняя величина жёсткости работы (нормальная работа) современных дизелей находится в пределах 0,4–0,5 МПа/град. п. к. в. (зависимости от степени сжатия). При больших скоростях нарастания давления наблюдается жёсткая работа двигателя. При меньших – мягкая.
Период задержки воспламенения при прочих равных технических условиях зависит от строения и химической активности углеводородов, входящих в состав дизельного топлива.
Наибольшим ПЗВ обладают ароматические углеводороды, далее идут изоалканы, нафтены и непредельные углеводороды.
Наименьшим ПЗВ обладают алканы нормального строения. ПЗВ уменьшается для углеводородов одинакового строения по мере увеличения их молекулярной массы.
При больших ПЗВ к началу воспламенения в камере сгорания накапливается значительное количество смеси, подготовленной к сгоранию. В результате происходит воспламенение больших количеств горючей смеси и чрезмерно быстрое нарастание давления, что приводит к жёсткой работе дизелей.
При малых ПЗВ топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, начинает воспламеняться и сгорать не по всему объёму, а в непосредственной близости от форсунки. В результате следующие порции топлива будут поступать не в атмосферу почти чистого горячего воздуха, а в воздух, смешанный с продуктами сгорания этого такта работы двигателя. Это приводит к неполному сгоранию, дымлению и потере мощности двигателя из-за неравномерного смесеобразования в объёме камеры сгорания.
Самовоспламеняемость топлива количественно оценивается цетановым числом (ЦЧ), являющимся показателем самовоспламеняемости.
Цетановое число – процентное (по объёму) содержание цетана (гексадекана) в такой его смеси с альфаметилнафталином (С11Н10), которая по самовоспламеняемости при стандартных условиях испытания на специальном одноцилиндровом двигателе эквивалентна испытуемому топливу. Самовоспламеняемость цетана условно принята за 100 единиц, а альфаметилнафталина – за 0. Чем больше ЦЧ, тем лучше самовоспламе-няемость топлива и меньше его ПЗВ.
На ПЗВ и характер процесса сгорания топлива в дизельном двигателе существенное влияние оказывают конструктивные и эксплуатационные факторы. Действие этих факторов проявляется через изменение режима работы, который, в свою очередь, влияет на мощность, экономичность и надёжность работы дизеля.
Факторы, влияющие на ПЗВ:
– увеличение температуры воздуха в конце такта сжатия улучшает характеристики воспламенения, снижает ПЗВ;
– повышение давления также улучшает условия для самовоспламенения. Однако положительное влияние температур и давления будет сказываться только при условии соблюдения оптимальных параметров распыливания, распределения топлива в камере сгорания и турбулентности среды;
– коэффициент избытка воздуха (α) при работе дизеля колеблется в широких пределах, так как регулирование мощности дизеля осуществляют путём изменения подачи только топлива. Наддув воздуха вызывает повышение температуры и давления в конце такта сжатия, что приводит к сокращению ПЗВ и увеличению скорости сгорания топливовоздушной смеси;
– увеличение тонкости распыливания топлива увеличивает скорость испарения капель, однако при этом уменьшается расстояние разбрызгивания, в результате чего происходит неравномерное распределение топлива по объёму камеры сгорания. В результате местного переобогащения смеси процессы химического предпламенного преобразования смеси замедляются, что приводит к увеличению ПЗВ. Лучшим является неоднородное распыливание, при котором уже первые порции дозы топлива равномерно распределяются по объёму камеры сгорания из-за различия масс капель (различные диаметры отверстий распылителя). Такое распыливание увеличивает скорость сгорания и сокращает продолжительность фазы догорания;
– увеличение степени сжатия приводит к увеличению давления и температуры – уменьшению ПЗВ. К тому же слабее проявляется влияние химического состава топлива на ПЗВ;
– уменьшение угла опережения впрыска топлива сокращает ПЗВ, т. к. ближе к ВМТ, температура и давление в камере сгорания повышается. Но, при слишком малом угле опережения впрыска, основная масса дозы топлива будет догорать в такте расширения, что вызовет падение мощности и дымление двигателя из-за уменьшения скорости нарастания давления и увеличения продолжительности фазы догорания;
– с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя усиливается вихревое движение, повышаются температура и давление воздуха в камере сгорания. Это ведёт к сокращению ПЗВ и продолжительности горения, в результате чего основная часть топлива успевает сгореть до начала фазы догорания. Но, при чрезмерном росте частоты вращения коленчатого вала, повышение температуры и давления воздуха и соответствующее ускорение предпламенных процессов уже не успевают скомпенсировать сокращение времени эффективного горения, в результате чего часть топлива, догорающего в третьей стадии, растёт. В итоге – падение эффективной мощности двигателя и увеличение удельного расхода топлива.
Зависимость между ЦЧ и ПЗВ показана на рис. 3.2.
В свете вышеизложенного сформулируем требования к дизельным топливам:
– удовлетворительная вязкость в широком диапазоне температур, обеспечивающая бесперебойную подачу топлива в камеру сгорания;
– оптимальная воспламеняемость и испаряемость, необходимые для лёгкого пуска и плавной работы двигателя на различных эксплуатационных режимах;
– отсутствие отложений в системе питания и в камере сгорания при работе двигателя и хранении техники;
– устойчивость к окислению в условиях хранения и транспортирования;
– нейтральность к конструкционным материалам двигателя и средств хранения, заправки и транспортирования;
– токсичность и экологичность;
– широкая сырьевая база;
– технологичность производства;
– дешевизна.
Рис. 3.2. Влияние цетанового числа на период задержки воспламенения t. 1 – четырёхтактный двигатель для испытаний топлив при 
, n = 900 мин -1, температуре охлаждающей воды t = 85 °C; 2 – четырёхтактный двигатель для испытаний топлив при 
, n = 900 мин -1, t = 100 °C; 3 – двухтактный двигатель при , n = 900 мин -1; 4 – двухтактный двигатель при 
, n = 1800 мин -1
3.2. Марки, уровень качества
и применение дизельных топлив
В России производятся дизельные топлива самого различного назначения. Укрупнено, это маловязкие дистиллятные топлива для быстроходных дизелей (частота вращения коленчатого вала свыше 1000 мин-1) и высоковязкие смесевые топлива для средне- и малооборотных дизелей (частота вращения вала менее 1000 мин-1).
Наиболее широко используются топлива для быстроходных дизелей, вырабатываемые в соответствии с ГОСТ 305-82.
Обозначение дизельных топлив по ГОСТ 305-82
1. На первом месте указывают марку топлива в зависимости от температурных условий применения: летнее (Л), зимнее (З) и арктические (А).
2. На втором месте через дефис указывают содержание серы. По содержанию серы дизельные топлива подразделяют на два вида:
вид 1 – топливо с массовой долей серы не более 0,2%;
вид 2 – топливо с массовой долей серы не более 0,5% (для арктических топлив – не более 0,4%);
3. На третьем месте через дефис указывают:
для летних топлив – температуру вспышки паров в закрытом тигле – не ниже + 40 °С;
для зимних топлив – температуру застывания, которая должна быть для топлив, предназначенных для применения в условиях умеренной зоны не выше минус 35 °С и холодной зоны – не выше минус 45 °С. Для арктических топлив температуру застывания не указывают, так как она должна быть не выше минус 55 °С.
Знак «минус» ГОСТ рекомендует писать словом, а не символом.
4. Затем указывают номер стандарта – ГОСТ 305-82.
Например:
– Л – 0,2 – 40 ГОСТ 305-82 – топливо дизельное летнее, с массовой долей серы до 0,2% и температурой вспышки паров в закрытом тигле не ниже + 40 °С, произведено в соответствии с ГОСТ 305-82;
– З – 0,5 минус 35 ГОСТ 305-82 – зимнее топливо с содержанием серы не более 0,5% и с температурой застывания не выше минус 35 °С, произведено по ГОСТ 305 – 82;
– А – 0,4 ГОСТ 304-82 – топливо арктическое с содержанием серы не более 0,4%, выработано в соответствии с требованием ГОСТ 305-82. Температура застывания минус 55 °С.
Дизельное топливо Л предназначено для применения при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше.
Дизельное топливо З предназначено для применения в умеренной климатической зоне при температуре окружающего воздуха минус 20 °С и выше и в холодной климатической зоне при температуре окружающего воздуха от минус 30 °С и выше. При более низких температурах предусмотрено применение арктического дизельного топлива.
Температура окружающего воздуха должна быть на 10…15 °С выше, чем температура застывания применяемого дизельного топлива.
В период весенне-летней эксплуатации допускается смешение в топливных баках летнего и зимнего дизельных топлив. При низких температурах окружающего воздуха в случае отсутствия зимнего дизельного топлива допускается добавление к летнему топливу керосина или реактивного топлива. Опытом, например, установлено, что добавление 25% керосина к дизтопливу понижает температуру застывания смеси на 10…12 °С. В Великобритании добавляют 10–15% керосина, что позволяет снизить температуру помутнения и при этом сохранить остальные параметры на уровне требований стандарта. Добавляют и до 10% бензина, при большем количестве снижается плотность и вязкость топлива [7].
Вместо дизельного топлива А можно использовать смесь, состоящую из дизельного топлива З минус 45 и керосина тракторного или реактивного топлива в соотношении 1:1.
Во всех случаях применения топлив для конкретных двигателей автотранспортных средств следует руководствоваться инструкциями по эксплуатации и рекомендациями заводов–изготовителей.
Характеристика топлив по ГОСТ 305-82 приведена в табл. 3.1.
Топливо для средне- и малооборотных дизелей (в основном судовых) имеет повышенные плотность, вязкость и содержание серы (до 3%). На автомобильной технике эти топлива марок ДТ и ДМ по ГОСТ 1667-68 не применяют.
Наряду с дизельным топливом, вырабатываемым по ГОСТ 305-82, промышленностью в летний период времени при температуре окружающего воздуха до 5 °С выпускается дизельное топливо утяжелённого состава УФС (ТУ 38.001355-86). Его особенность – температура конца кипения выше стандартной на 20…30 °С. Это позволяет увеличить их ресурсы на 5–8%. Недостаток этого топлива – закоксовывание форсунок на дизелях с воздушным охлаждением.
Расширение ресурсов ДТ возможно и при вовлечении в их состав бензиновых фракций. Такое топливо расширенного фракционного состава (РФС), выкипающее в пределах 60…400 °С, позволяет увеличить ресурсы дизельных топлив примерно на 30%. Цетановое число этого топлива – около 40 единиц (ТУ 38.401652-87).
Основным топливом для дизельных двигателей планируется сделать топливо широкого фракционного состава, выкипающее в пределах от 60 до 360 °С. Такое топливо можно получать из любых нефтей прямой перегонкой и соответствующей очисткой. Применяемость такого топлива весьма широка [5].
Начиная с 1991 г. организовано производство экологически чистого топлива для дизельных двигателей (ТУ 38.1011348-90). Содержание серы в нём резко снижено: 1 – вид не более 0,05% , 2 вид – не более 0,1%. Экологически чистое дизельное топливо предназначено для применения, прежде всего, в крупнонаселённых городах, курортных зонах, карьерах и других местах с ограниченным воздухообменом. Из-за сложности изготовления этого топлива (глубокая гидроочистка или гидрирование) стоимость его повышена. Топлива выпускают двух марок:
– ДЛЭЧ-В – с ограниченным содержанием ароматических углеводородов и ДЛЭЧ без ограничения содержания. Применяются эти топлива при температуре окружающего воздуха до минус 5 °С.
Для районов Крайнего Севера и Арктики вырабатывают арктическое экологически чистое топливо по ТУ 38.4015845-92. Это топливо содержит минимум серы (0,05 и 0,1%), имеет температуру застывания минус 550С и низкое содержание ароматических углеводородов (5–10%). Изготавливают такое топливо на основе продуктов глубокого гидрирования.
Для средней полосы России с зимней температурой до минус 15 °С на основе летних дизельных топлив изготавливают зимние, добавляя депрессорную присадку – ДЗп (ТУ 38.101889-81).
Дизельное топливо ДЗп – 15/-25 (ТУ 38.401-58-36-92) может применятся при температуре окружающего воздуха до минус 25 °С.
На экспорт вырабатывают летние и зимние дизельные топлива ДЛЭ и ДЗЭ (ТУ 38.001162-85). Содержание серы не более 0,2%. В них нормируются и такие показатели, как дизельный индекс и прозрачность при 10 °С.
Физико-химические показатели дизельных топлив отражены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Физико-химические характеристики дизельных топлив
| Показатели | Л | З | А | Дзп -15/-25 ТУ 38. 40158. 36.92 | Аркти-ческое эколо-гически чистое | ДЛ ЭЧ-В | ДЛ ЭЧ | Топли-во УФС ТУ 38.001 355-86 | ДЛЭ | ДЗЭ | Топли-во РФС ТУ 38.401 652-87 | Топливо с присад-кой ВЭМС | ДЗп 0,5 | ДЗп 0,2 |
| ГОСТ - 305- 82 | ТУ 38.401-5845-92 | ТУ 38.101 1348-90 | ТУ 38.001162-85 | ТУ 38.401788-90 | ТУ 38.101 889-81 | |||||||||
| Цетановое число, не менее | 45 | 45 | 45 | 45 | 45 | 45 | 45 | 45 | – | – | 45 | 45 | 45 | 45 |
| Дизельный индекс, не менее | – | – | – | – | – | – | – | – | 58 | 53 | – | – | – | – |
| Фракционный состав: | ||||||||||||||
| 10 % перегоняется при температуре, ° С, не ниже | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 150 | – | – | – |
| 50 %, ° С, не ниже | 280 | 280 | 255 | 280 | 255 | 280 | 280 | 290 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 | 280 |
| 96 %, ° С, не ниже | 360 | 340 | 330 | 360 | 330 | 360 | 360 | – | 340 | 330 | 360 | 360 | 360 | |
| до 360 ° С перегоняется, % | – | – | – | – | – | – | – | 90 | – | – | 90 | – | – | – |
| Вязкость кинематическая при 20 ° С, мм2/с, не менее | 3,0– 6,0 | 1,8– 5,0 | 1,5– 4,0 | 1,8– 6,0 | 1,5– 4,0 | 3,0– 6,0 | 3,0– 6,0 | 3,0– 6,0 | 3,0– 6,0 | 2,7– 6,0 | 3,0– 6,0 | 3,0– 6,0 | 3,0– 6,0 | 3,0– 6,0 |
| Температура застывания, °С, не выше, для климатической зоны: | ||||||||||||||
| умеренной | –10 | –35 | – | –35 | – | –10 | –10 | 0 | –10 | –35 | –5 | –10 | –30 | –30 |
| холодной | – | –45 | –55 | – | –55 | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Температура помутнения, °С, не выше, для климатической зоны: | ||||||||||||||
| умеренной | –5 | –25 | – | –25 | – | – | – | 5 | – | – | – | –5 | –5 | –5 |
| холодной | – | –35 | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
Продолжение табл. 3.1
| Показатели | Л | З | А |
Дзп -15/-25 ТУ 38. 40158. 36.92 | Аркти-ческое эколо-гически чистое | ДЛ ЭЧ-В | ДЛ ЭЧ | Топли-во УФС ТУ 38.001 355-86 | ДЛЭ | ДЗЭ | Топли-во РФС ТУ 38.401 652-87 | Топливо с присад-кой ВЭМС | ДЗп 0,5 | ДЗп 0,2 |
| ГОСТ - 305- 82 | ТУ 38.401-5845-92 | ТУ 38.101 1348-90 | ТУ 38.001162-85 | ТУ 38.401788-90 | ТУ 38.101 889-81 | |||||||||
| Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, °С, не ниже: | ||||||||||||||
| для тепловозных и судовых дизелей и газовых турбин | 62 | 40 | 35 | 40 | 35 | 62 | 62 | 61 | 65 | 60 | – | 62 | – | – |
| для дизелей общего назначения | 40 | 35 | 30 | 35 | 30 | 40 | 40 | 40 | – | – | 20 | 40 | 40 | 40 |
| Массовая доля серы, %, не более | I вид 0,20 II вид 0,50 | Iвид 0,20 II вид 0,50 | I вид 0,20 II вид 0,40 | I вид 0,2 II вид 0,5 | I вид 0,05 II вид 0,1 | I вид 0,05 II вид 0,1 | I вид 0,05 IIвид 0,1 | 0,5 | 0,2 | 0,2 | 0,5 | 0,5 | 0,2 | 0,5 |
| Массовая доля меркаптановой серы, %, не более | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | – | – | 0,01 | – | – | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 |
| Содержание сероводорода | отсутствие | – | – | отсутст-вие | – | – | отсутствие | |||||||
| Испытание на медной пластинке | в ы д е р ж и в а е т | |||||||||||||
| Содержание водорастворимых кислот и щелочей | о т с у т с т в и е | – | – | отсут-ствие | – | – |
о т с у т с т в и е |
Продолжение табл. 3.1
| Показатели | Л | З | А |
Дзп -15/-25 ТУ 38. 40158. 36.92 | Аркти-ческое эколо-гически чистое | ДЛ ЭЧ-В | ДЛ ЭЧ | Топли-во УФС ТУ 38.001 355-86 | ДЛЭ | ДЗЭ | Топли-во РФС ТУ 38.401 652-87 | Топливо с присад-кой ВЭМС | ДЗп 0,5 | ДЗп 0,2 |
| ГОСТ - 305- 82 | ТУ 38.401-5845-92 | ТУ 38.101 1348-90 | ТУ 38.001162-85 | ТУ 38.401788-90 | ТУ 38.101 889-81 | |||||||||
| Концентрация фактических смол, мг на 100 см3 топлива, не более | 40 | 30 | 30 | не нор-мир. | не нор-мир. | – | – | 20 | – | – | – | 40 | 25 | 40 |
| Кислотность, мг КОН на 100 см3 топлива, не более | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 50 | 5 | 5 | 5 |
| Йодное число, г йода на 100 г топлива, не более | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | – | – | 6 | – | – | 6 | 6 | 5 | 6 |
| Зольность, %, не более | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,08 | 0,01 |
| Коксуемсть 10 % остатка, %, не более | 0,20 | 0,30 | 0,30 | 0,20 | 0,20 | 0,20 | 0,30 | 0,20 | 0,20 | 0,30 | 0,30 | 0,20 | 0,30 | |
| Коэффициент фильтруе- мости, не более | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | – | – | 3 | – | – | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Предельная температура фильтруемости, °С, не выше | – | – | – | – | – | –5 | –5 | – | –5 | не нормир. определ. обязат. | – | –15 | –15 | |
| Содержание механических примесей | о т с у т с т в и е |
Окончание табл. 3.1
| Показатели | Л | З | А |
Дзп -15/-25 ТУ 38. 40158. 36.92 | Аркти-ческое эколо-гически чистое | ДЛ ЭЧ-В | ДЛ ЭЧ | Топли-во УФС ТУ 38.001 355-86 | ДЛЭ | ДЗЭ | Топли-во РФС ТУ 38.401 652-87 | Топливо с присад-кой ВЭМС | ДЗп 0,5 | ДЗп 0,2 |
| ГОСТ - 305- 82 | ТУ 38.401-5845-92 | ТУ 38.101 1348-90 | ТУ 38.001162-85 | ТУ 38.401788-90 | ТУ 38.101 889-81 | |||||||||
| Содержание воды | о т с у т с т в и е | — | — | отсут-ствие | — | — | о т с у т с т в и е | |||||||
| Плотность при 20 ° С, кг/м3, не более | 860 | 840 | 830 | 860 | 830 | 860 | 860 | 860 | 845 | 845 | 860 | 860 | 860 | 860 |
| Содержание ароматических углеводородов, %, не более | — | — | — | — | — | 20 | — | — | – | — | — | — | — | — |
| Цвет в единицах ЦНТ, не более | — | — | — | — | — | 2 | 2 | не нор-мир. | 2 | 2 | 2 | не нор-мир. | 2 | 2 |
| Предельная температура фильтруемости, ° С, не выше | –5 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
Примечания:
1. Для техники, эксплуатируемой при подземных разработках и в карьерах, применяют топливо по ГОСТ 305-82 с содержанием серы не более 0,2 %.
2. Дизельное топливо марок Л, З, А, которым присвоен высший сорт, должно соответствовать следующим показателям: массовая доля серы, %, не более — 0,2; концентрация фактических смол, мг на 100 см3 топлива, не более — 25; йодное число, г йода на 100 г топлива, не более — 5; зольность, %, не более — 0,008; коксуемость 10 % остатка, не более — 0,10; коэффициент фильтруемости, не более — 2.
3. При поставке топлива по ГОСТ 305-82 на экспорт дополнительно определяют и указывают в сопроводительной документации цвет в единицах ЦНТ и предельную температуру фильтруемости.
4. Для дизельных топлив экспортных вместо содержания воды и коэффициента фильтруемости экспресс-методом устанавливают прозрачность топлива при 10 °С.
Наряду с бензиновыми двигателями, причём в значительно большем количестве, в районах газоконденсатных месторождений используют дизели. Проведённые ВНИИГАЗом исследования показали, что практически из всех конденсатов может быть получено качественное дизельное топливо с цетановым числом не ниже 45. Но выход топлива аналогичного по качеству топливам ГОСТ 305-82 всего 10–15%. Учитывая острую потребность в дизельном топливе и положительные результаты испытания топлив с цетановым числом равным 40, было принято решение о производстве топлива облегчённого состава с таким цетановым числом.
По результатам испытаний допущены к производству газоконденсатные широкофракционные летнее, зимнее и арктические топлива – ГШЛ, ГШЗ и ГША.
Газоконденсатные топлива имеют ряд преимуществ по сравнению с топливами широкого применения по ГОСТ 305-82:
– лучше теплообмен и испаряемость в области низких температур;
– примерно одинаковые периоды задержки воспламеняемости;
– большая скорость и меньшая длительность горения;
– меньшая дымность отработавших газов (на 6–8%);
– меньшие индикаторные и эффективные расходы топлив;
– пониженный износ деталей цилиндро-поршневой группы.
Недостаток таких топлив – низкая температура начала кипения, приводящая к образованию паровых пробок в системе питания и ухудшения запуска горячего двигателя. Этот недостаток устраняют путём доведения глубины стабилизации до температуры начала кипения 70…80 °С.
Показатели качества газокондексатных топлив приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Физико-химические характеристики дизельных топлив
из газовых конденсатов
| Показатели | ТУ 51-274-86 ФГД | ТУ 51-125-86 ГШЛ | ТУ 51-28-86 ГШЗ | ТУ 51-03-16-89 ГША |
| 1. Цетановое число, не менее | 35 | 42 | 40 | 40 |
| 2. Фракционный состав: | ||||
| начало кипения, °С, не менее | 110 | 90 | – | – |
| 10 % перегоняется при температуре, °С, не ниже | – | 120 | 120 | 120 |
| 50 % перегоняется, °С, не выше | 250 | 260 | 260 | 260 |
| 96 % перегоняется, °С, не выше | 330 | 360 | 340 | 340 |
Окончание табл. 3.2
| Показатели | ТУ 51-274-86 ФГД | ТУ 51-125-86 ГШЛ | ТУ 51-28-86 ГШЗ | ТУ 51-03-16-89 ГША |
| 3. Вязкость кинематическая при 20 °С, мм2/с, не менее | 1,20 | 2,00 | 1,45 | 1,45 |
| 4. Температура застывания, °С не выше, для климатической зоны: | ||||
| умеренной, | – | –15 | –35 | – |
| холодной | –55 | – | –5 | –5 |
| 5. Температура помутнения, °С, не выше, для климатической зоны: | ||||
| умеренной, | – | – | –5 | – |
| холодной | – | – | –5 | – |
| 6. Массовая доля серы, %, не более | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| 7. Массовая доля меркаптановой серы, %, не более | – | 0,01 | 0,01 | 0,01 |
| 8. Содержание сероводорода | – | отсутствует | ||
| 9. Испытание на медной пластинке | выдерживает | |||
| 10. Наличие водорастворимых кислот и щелочей | отсутствие | |||
| 11. Содержание воды | отсутствие | |||
| 12. Содержание фактических смол без присадки, мг на 100 мл топлива, не более | 30 | 40 | 30 | 30 |
| 13. Содержание механических примесей | отсутствие | |||
| 14. Коксуемость 10% остатка без присадки, %, не более | – | 0,30 | 0,20 | 0,20 |
| 15. Зольность, %, не более | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 |
| 16. Коэффициент фильтруемости, не более | – | 3 | 3 | 3 |
| 17. Плотность при 20 °C кг/м3, не более | 840 | 860 | 840 | 840 |
| 18. Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, °С, не ниже | 30 | 15 | 12 | 15 |
Также как и автомобильные бензины, выпускают дизельные топлива с улучшенными экологическими качествами для применения в крупных городах.
Техническими условиями ТУ 38.401-58-170-96 устанавливаются следующие марки топлива дизельного с улучшенными экологическими свойствами (городское):
– К-Л – летнее, рекомендуемое для применения при температуре окружающего воздуха минус 5 °С и выше;
– ДЭК-З – зимнее, для температур минус 25 °С и выше;
– ДЭКп-Л – летнее с присадкой, для температур минус 5 °С и выше;
– ДЭКп-З минус 15 °С – зимнее с присадкой, для температур минус 15 °С и выше;
– ДЭКп-З минус 25 °С – зимнее с присадкой, для температур минус 25 °С и выше.
В условное обозначение топлива дизельного летнего должны входить массовая доля серы и температура вспышки; для топлива дизельного зимнего без присадки – массовая доля серы; для топлива дизельного зимнего с присадкой – температура фильтруемости и массовая доля серы.
Примеры условного обозначения
1. Топливо дизельное с улучшенными экологическими свойствами (городское) летнее с массовой долей серы до 0,05% и температурой вспышки 40 °С:
«Топливо дизельное ДЭК-Л – 0,05 – 40, ТУ 38.401-58-170-96».
2. Топливо дизельное с улучшенными экологическими свойствами (городское) летнее с присадкой с массовой долей серы до 0,10% и температурой вспышки 40 °С:
«Топливо дизельное ДЭКп-Л – 0,10 – 40, ТУ 38.401-58-170-96».
3. Топливо дизельное с улучшенными экологическими свойствами (городское) зимнее с массовой долей серы до 0,05%:
«Топливо дизельное ДЭК-З – 0,05, ТУ 38.401-58-170-96».
4. Топливо дизельное с улучшенными экологическими свойствами (городское) зимнее с присадкой с предельной температурой фильтруемости минус 15 °С и массовой долей серы до 0,05%:
«Топливо дизельное ДЭКп-З, минус 15 °С – ТУ 38.401-58-170-96».
Физико-химические характеристики топлив показаны в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Дизельные топлива с улучшенными экологическими свойствами
(городские)
| Наименова-ние показателя | Значения для марок | Метод испытания | ||||
| ДЭК-Л | ДЭК-З | ДЭКп-Л | ДЭКп-З минус 15 ºС | ДЭКп-З минус 25 ºС | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1. Цетановое число, не менее | 49 | 45 | 49 | 45 | 45 | По ГОСТ 3122 или п. 5.2 настоящих ТУ |
| 2. Фракцио-нный состав: 50% перегоняется при температуре, ºС, не выше 96% перегоняется при температуре (конец перегонки), ºС, не выше | 280 360 | 280 340 | 280 360 | 280 360 | 280 360 | По ГОСТ 2177 или ASTMД 86 |
| 3.Кинема-тическая вязкость при 20 ºС, мм/с | 3,0-6,0 | 1,8-5,0 | 3,0-6,0 | 1,8-6,0 | 1,8-6,0 | По ГОСТ 33 или ISO 3104 или АSTMД 445 |
| 4.Темпера-тура засты-вания, ºС, не выше | ми-нус 10 | минус 35 | минус 10 | минус 25 | минус 35 | По ГОСТ 20287 с дополнением по п. 5.3 настоящих ТУ или АSTMД 97 |
| 5.Предель-наятемпера-тура фильт-руемости, ºС, не выше | ми-нус 5 | минус 25 | минус 5 | минус 15 | минус 25 | По ГОСТ 22254 или EN 116 |
Продолжение табл. 3.3
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 6.Темпера-тура вспыш-ки, опреде-ляемая в закрытом тигле, ºС, не ниже: для тепловоз- ных дизелей и газовых турбин для дизелей общего назначения | 62 40 | 40 35 | 62 40 | 40 35 | 40 35 | По ГОСТ 6356 или ISO 2719 или АSTMД 93 |
| 7. Массовая доля серы, %, не более, в топливе | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | По ГОСТ 19121 или ГОСТ Р50442 или АSTMД 4294 или АSTMД 1266 |
| 8. Массовая доля меркап-тановой серы, %, не более | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | По ГОСТ 17323 или АSTMД 3227 |
| 9.Содержа-ние серово-дорода | отсутствие | отсутствие | отсутствие | отсутствие | отсутствие | По ГОСТ 17323 |
| 10.Испыта-ние на медной пластинке | Выдержи-вает | выдер-живает | выдер-живает | выдержи-вает | выдержи-вает | По ГОСТ 6321 |
| 11.Содержа-ние водорас-творимых кислот и щелочей | отсутствие | отсутствие | отсутствие | отсутст-вие | отсутст-вие | По ГОСТ 6307 |
| 12.Кислот-ность, мг КОН на 100 куб. см топлива, не более | 5,0 | 5,0 | 5,0 | 5,0 | 5,0 | По ГОСТ 5985 |
Продолжение табл. 3.3
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 13. Йодное число, г йода на 100 г топлива, не более | 5,0 | 5,0 | 5,0 | 5,0 | 5,0 | По ГОСТ 2070 |
| 14.Зольно-сть, %, не более | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | По ГОСТ 1461 или ГОСТ 28583 или ISO 6245 или АSTMД 482 |
| 15.Коксуе-мость 10%-ного остатка, %, не более | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | По ГОСТ 19932 или ISO 6615 или АSTMД 189 |
| 16.Коэффи-циент фильт-руемости (до введения присадки в топливо), не более | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | По ГОСТ 19006 |
| 17.Содержание механиче-ских приме-сей | отсутствие | отсутствие | отсутствие | отсутст-вие | отсутст-вие | По ГОСТ 6370 |
| 18.Содержа-ние воды | отсутствие | отсутствие | отсутствие | отсутствие | отсутствие | По ГОСТ 2477 или ISO 3733 |
| 19. Цвет в единицах ЦНТ, не более | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | По ГОСТ 20284 или ГОСТ 28582 |
| 20. Плотность при 20 ºС, кг/куб. м, не более | 860 | 860 | 860 | 860 | 860 | По ГОСТ 3900 или ISO 3675 |
| 21.Дымность отработавших газов для топлив с антидымной присадкой, ед. БОШ, не более | – | – | 2,5 | 2,5 | 2,5 | РД 37.001.698-96 |
Окончание табл. 3.3
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 22.Содержание антидымной присадки, % | – | – | 0,1–0,2 | 0,1–0,2 | 0,1–0,2 | Метод разрабатывает-ся |
| 23. Компоне-нтный состав | Уточняется для обеспечения перспективных норм по выбросам вредных веществ с отработавшими газами |
Примечания:
1. При изготовлении дизельного топлива с присадками изготовитель указывает в паспорте наименование и содержание вводимых в топливо присадок. Содержание присадок гарантируется технологией.
2. Допускается выработка и применение топлива марки «летнее» с температурой застывания не выше 0 ºС (без определения температуры фильтруемо-сти) и содержанием воды не более «следы» с 1 апреля по 1 октября.
3. При изготовлении дизельных топлив марки «зимнее» с депрессорной присадкой нормируется температура помутнения по ГОСТ 5066 (метод Б, пп. 3.3.4 или АSТМ Д 2500) для марки ДЭКп-З, минус 15 ºС — не выше минус 5 °С; для марки ДЭКп-З, минус 25 ºС — не выше минус 15 ºС.
4. При постановке топлива с присадкой на производство и при сертификации проводят испытания и по показателю «Дымность отработавших газов» (с нормой не более 2,5 ед. БОШ), определяемому по приложению А настоящих Технических требований.
5. Допускается изготовление и применение при температуре окружающего воздуха минус 15 ºС и выше дизельного топлива марки ДЭКп-З минус 15 °С без депрессорной присадки с маркировкой ДЭК-З минус 15 ºС.
3.3. 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 (кривая 2)
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;
tcp – 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]:
| 50 45 |
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 t50% дизельного топлива на продолжительность пуска дизеля tпус (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;
Лекция "15 Нормативно-правовая база и экологическая оценка природообустройства" также может быть Вам полезна.
– 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.
Низкое качество дизельных топлив делает работу двигателей неэффективной или вообще невозможной.
