1.3.1. Требования к дизельному топливу

Дизельные топлива (ДТ) предназначены для дизелей и являются нефтяными фракциями, выкипающими при температуре от 200 до 350 °С. По химическому составу они представляют собой смесь нормальных алканов, изоалканов, циклоалканов и небольшого количества ароматических углеводородов.

ДТ должны отвечать следующим требованиям:

— иметь определенные плотность, поверхностное натяжение, испаряемость и самовоспламеняемость;

— сохранять текучесть при низких температурах;

— быть химически и физически стабильными;

— обладать минимальным коррозионным воздействием;

— не содержать воды и механических примесей.

1.3.2. Свойства и показатели ДТ, влияющие на подачу

Вязкость

Если вязкость топлива слишком высокая, то оно будет с трудом проходить через фильтры, форсунки и т. д. Низкая вязкость

ДТ ухудшает смазывание плунжерной пары насоса высокого давления и уменьшает цикловую подачу топлива. Кроме того, от вязкости зависит качество распыления.

Вязкость ДТ находится в пределах 2,5—4,0 мм²/с.

Низкотемпературные свойства

Низкотемпературные свойства жидких углеводородных топлив зависят от группового и фракционного состава. Наихудшими низкотемпературными свойствами обладают парафины (алканы) и ароматические углеводороды, наилучшими — циклоалканы. Углеводороды, входящие в состав ДТ, имеют высокую температуру кристаллизации, это, прежде всего, относится к нормальным алканам. При понижении температуры окружающей среды эти углеводороды видны невооруженным глазом как отдельные кристаллики.

Наивысшая температура, при которой топливо теряет прозрачность, называется температурой помутнения. При этом топливо не теряет свойство текучести. Значение вязкости при повышении температуры увеличивается незначительно, однако кристаллы, проникая через фильтр грубой очистки, образуют непроницаемую для топлива пленку на фильтре тонкой очистки, что приводит к прекращению подачи топлива.

Следует учитывать, что температура помутнения должна быть на 3—5 °С ниже температуры окружающей среды.

При дальнейшем охлаждении ДТ наступает сращивание отдельных кристаллов в каркас, который пронизывает все топливо, сковывая его. Топливо теряет текучесть.

Наивысшую температуру, при которой топливо теряет текучесть, называют температурой застывания. Она должна быть на 8—12 °С ниже температуры окружающей среды.

Для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив проводят их частичную депарафинизацию и добавляют специальные присадки (депрессоры).

Температуры застывания и помутнения определяют в специальном приборе по ГОСТ 20287—91.

Температуру застывания можно понизить путем введения депрессорной присадки (например, АзНИИ—ЦИАТИМ-1).

Физическая и химическая стабильность

Под воздействием внешних факторов в ДТ протекают физические и химические процессы, основными из которых являются испарение, загрязнение механическими примесями и водой, выпадение высокоплавких компонентов при охлаждении, окисление, разложение, конденсация.

При перекачке топлива происходит испарение легких фракций, что приводит к ухудшению его пусковых свойств. При хранении, транспортировке, заправке топливо вступает в контакт с воздухом, который содержит влагу. Поэтому в ДТ вводят антикристаллизационные присадки. Окисление ДТ увеличивает содержание фактических смол. В зимних марках их должно быть не более 30 мг на 100 мл топлива, а в летних — не более 40 мг.

1.3.3. Свойства и показатели ДТ, влияющие на смесеобразование

Испаряемость

Чем выше испаряемость топлива, тем качественнее проходит смешивание его с воздухом, а значит и его сгорание. До конца может сгореть только полностью испарившееся топливо. Если же топливо находится в капельно-жидком состоянии, то в процессе горения участвует только оболочка капель. Ядро же под воздействием высокой температуры превращается в сажу и выбрасывается с отработавшими газами, загрязняя окружающую среду.

Испаряемость ДТ зависит также и от конструктивных особенностей дизеля. Форма камеры сгорания, конструкция и размер сопловых отверстий форсунок, а также давление и направление впрыска топлива — факторы, которые влияют на оптимальное перемешивание топлива с воздухом, а значит и испаряемость. Вязкость, плотность, фракционный состав, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение имеют такое же значение для испаряемости дизельного топлива, как и у бензинов.

Испаряемость ДТ оценивается его фракционным составом, т. е. температурами t₁₀, t₅₀, t₉₆, t_НР и t_КР. ГОСТ устанавливает лишь t₅₀ и t₉₆. В зависимости от марки ДТ t₅₀ колеблется от 255 до 280 °С; a t₉₆ — от 330 до 360 °С.

При плохой испаряемости ДТ возникают затруднения при пуске двигателя, ухудшается его экономичность и увеличивается дымность отработавших газов. Однако топливо с высокой испаряемостью имеет худшую самовоспламеняемость.

Плотность и поверхностное натяжение

На процесс смесеобразования значительное влияние оказывают плотность и поверхностное натяжение ДТ. Плотность ДТ 830—860 кг/м³. В дизеле повышение плотности топлива, например при понижении температуры, вызывает увеличение расхода топлива по массе при его объемном дозировании. Кроме того, это повышает максимальное давление в трубопроводах системы питания. В итоге увеличение плотности дизельного топлива приводит к некоторому обогащению рабочей смеси.

Плотность и поверхностное натяжение наряду с вязкостью оказывают влияние на качество распыления топлива. Чем более мелкую структуру капель будет иметь распыляемый факел топлива из форсунки, тем быстрее произойдёт переход его в парообразное состояние.

1.3.4. Свойства и показатели ДТ, влияющие на самовоспламенение и процесс сгорания

Воспламенение ДТ, как и любого другого вида топлива, зависит от температуры в очаге возгорания. Температура самовоспламенения ДТ определяется его химическим составом.

Цетановое число

Способность ДТ самовоспламеняться оценивают цетановым числом (ЦЧ). Метод оценки самовоспламеняемости топлив для быстроходных дизелей аналогичен методу оценки детонационной стойкости бензинов. В качестве эталонных топлив для определения самовоспламеняемости выбирают два углеводорода: цетан С₁₆Н₃₄ и альфаметилнафталин С₁₀Н₇СН₃. Самовоспламеняемость первого углеводорода условно принята за 100, второго — за 0. Смешивая их можно получить смесь с самовоспламеняемостью от 0 до 100. Таким образом, цетановым числом называется условный показатель, численно равный процентному содержанию цетана в такой его смеси с альфаметилнафталином, которая по самовоспламеняемости соответствует испытуемому образцу.

Цетановое число ДТ определяют методом совпадения вспышек (рис. 1.8).

Для безотказной работы современных двигателей требуется топливо с цетановым числом летом — не менее 45, зимой — 50. При цетановом числе ниже 45 дизели работают жестко, особенно зимой, а выше 45 — мягко. Однако использовать топлива с цетановым числом выше 60 нерентабельно, так как жесткость работы при этом изменяется незначительно, а удельный расход топлива возрастает. Последнее объясняется тем, что при повышении ЦЧ свыше 55 период задержки воспламенения (время с момента начала подачи топлива в цилиндр двигателя до начала горения) настолько мал, что топливо воспламеняется вблизи

Рис. 1.8. Установка ИТ9-3 для определения цетановых чисел ДТ: 1 — пульт управления; 2 — топливные бачки; 3 — подогреватель воздуха; 4 — зеркало для наблюдения за вспышками; 5 — механизм изменения степени сжатия; 6 — форсунка; 7 — одноцилиндровый двигатель; 8 — насос высокого давления

форсунки, и воздух, находящийся дальше от места впрыска почти не участвует в процессе сгорания. В результате топливо сгорает не полностью, снижается экономичность двигателя.

ДТ не всегда обеспечивают необходимую самовоспламеняемость, поэтому возникает необходимость в повышении цетанового числа. Существуют два основных метода: изменение химического состава и введение специальных присадок.

Что касается надежности холодного пуска двигателя при различных температурах окружающей среды, то он в большей степени зависит от конструкции двигателя и режима пуска, чем от ЦЧ топлива. При температуре в камере сгорания ниже 350—400 °С горючая смесь уже не будет в состоянии воспламеняться. Минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала дизеля должна быть 100—120 мин^-1. И чем выше пусковая частота, тем выше температура сжимаемого воздуха, а значит и условия пуска двигателя.

Цетановое число зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в состав ДТ. Цетановые числа алканов — самые высокие, самые низкие числа имеют ароматические углеводороды. Углеводороды, входящие в состав ДТ, по ЦЧ располагаются следующим образом: 1 — алканы, 2 — циклоалканы, 3 — изоалканы, 4 — ароматические углеводороды. Увеличение числа углеродных атомов в молекулах углеводородов приводит к увеличению цетанового числа.

Таким образом, повышение содержания н-алканов приводит к увеличению ЦЧ. Однако н-алканы имеют высокую температуру кристаллизации, что приводит к ухудшению низкотемпературных свойств ДТ.

Введение в ДТ специальных кислородсодержащих присадок способствует легкому выделению активного кислорода. К таким присадкам относятся органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты, которые, попадая в камеру сгорания, ускоряют образование перекисей, от разложения которой ускоряется процесс самовоспламенения. Так, добавление 1 % изопропилнитрата повышает ЦЧ на 10—12 единиц и улучшает пусковые свойства ДТ в зимнее время.

Существует эмпирическая зависимость цетанового числа топлива от его октанового числа.

ЦЧ = 60 - ОЧ / 2,

где ЦЧ — цетановое число; ОЧ — октановое число.

Чем выше октановое число, тем ниже его цетановое число и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензиновых фракций всегда ведет к снижению его цетанового числа.

1.3.5. Свойства и показатели ДТ, влияющие на образование отложений

Коррозионные свойства ДТ, как и бензинов, зависят от содержания в них серы, сернистых и кислотных соединений. Наиболее агрессивной является так называемая активная сера (элементарная сера, сероводород и меркаптаны).

Присутствие в ДТ таких активных сернистых соединений, как меркаптанов, резко увеличивает износ плунжерных пар топливных насосов высокого давления и игл распылителей форсунок. Поэтому содержание меркаптановой серы в ДТ должно быть не более 0,01 %.

Гораздо сложнее обстоит дело с газовой коррозией, которая получается в результате образования при высокой температуре в камере сгорания сернистого ангидрида, вступающего при охлаждении в реакцию с парами воды и образующего серную кислоту. Для нейтрализации вредного воздействия кислот в ДТ вводят противокоррозионные присадки.

ДТ с суммарным содержанием неактивных сернистых соединений не более 0,2 % не вызывают осложнения в работе двигателя и могут применяться без ограничения. В настоящее время большинство нефтепродуктов производят из сернистых нефтей и содержание неактивной серы достигает 0,5 %.

ДТ по содержанию неактивной серы делятся на две подгруппы. В топливах первой подгруппы серы должно быть не более 0,2 %. В топливах второй подгруппы для летних и зимних марок от 0,21 до 0,5 %, для арктических — от 0,21 до 0,4 %.

Содержание сернистых соединений настолько важный параметр, что его отражают в марке ДТ.

Кислотность характеризует содержание в ДТ кислых соединений. ДТ должны оказывать минимальное коррозионное воздействие на металлы, т. е. не содержать минеральных кислот и щелочей; содержание органических кислот огранивается до 5 мг КОН на 100 мл топлива.

Содержание фактических смол в ДТ характеризует его склонность к нагару. Способность ДТ к осмолению зависит от наличия в нем непредельных углеводородов. О количестве последних судят по йодному числу. Йодное число численно равно количеству граммов йода, присоединившихся к непредельным углеводородам, которые содержатся в 100 г топлива. Непредельные углеводороды вступают в соединение с йодом, и чем их больше в топливе, тем больше йода вступает в реакцию. Содержание смолистых веществ в дизельных топливах оценивается, так же как и в бензинах, определением содержания фактических смол. С повышением содержания фактических смол в дизельном топливе склонность к нагарообразованию возрастает. Одно из требований к качеству дизельного топлива — содержание фактических смол не должно превышать 36—60 мг на 100 мл.

Содержание серы в топливе также влияет на образование отложений. Чем выше ее содержание в топливе, тем больше нагара и лака образуется при его сгорании. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность. Склонность к нагарообразованию возрастает при увеличении содержания в дизельном топливе ароматических углеводородов.

Нагарообразование и отложения на деталях двигателя зависят от коксуемости топлива и содержания в нем золы.

Коксуемость определяется процентным соотношением количества образовавшегося твердого остатка (кокса) после коксования навески топлива в специальном приборе.

Зольность топлива характеризует содержание в нем несгораемых примесей. Содержание золы повышает нагарообразование. Попадая в масло, зола вызывает ускоренный износ деталей. Допустимое содержание золы в дизельном топливе 0,01—0,02 %.

1.3.6. Марки дизельных топлив

Для эксплуатации автомобилей используются ДТ трех марок: Л (летнее), З (зимнее), А (арктическое). Все марки могут применяться для любого автомобильного дизеля. Выбор той или иной марки зависит только от климатических условий и низкотемпературного показателя топлива.

По марке ДТ можно определить содержание неактивных сернистых соединений и температуру вспышки или застывания. Например, марка ДТ Л — 0,11 — 58 ГОСТ 305 — 82 свидетельствует о принадлежности данного топлива к первой подгруппе с температурой вспышки 58 °С; марка 3—0,2 минус 45 ГОСТ 305—82 — о зимнем топливе, содержании 0,2 % сернистых соединений, температуре застывания не выше минус 45 °С.

Важно помнить, что ДТ второй подгруппы можно применять только при использовании для смазывания двигателя масла, содержащего многофункциональные присадки (ВНИИНП-370, ВНИИНП-360 и др.), обладающие моющими свойствами и нейтрализующие серный и сернистый газы. В противном случае повышается износ деталей двигателя в 1,5—3 раза.

Для уменьшения вредного влияния сернистого топлива необходимо поддерживать нормальный тепловой режим двигателя, т. е. не снижать температуру, чтобы избежать конденсации влаги, и чаще менять фильтрующие элементы масляных фильтров и масло в картере двигателя.

Основные показатели ДТ приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7. Основные показатели дизельных топлив

Для холодной климатической зоны топливо марки «З» имеет температуру застывания не выше —45 °С и температуру помутнения — не выше —35 °С.

В табл. 1.8 показано соответствие марок ДТ российского и зарубежного производства.

Таблица 1.8. Соответствие марок ДТ российского и зарубежного производства

Контрольные вопросы

1. Какие предъявляются требования к ДТ?

2. Расскажите о свойствах и параметрах ДТ, влияющих на подачу.

3. Расскажите о свойствах и параметрах ДТ, влияющих на смесеобразование.

4. Как оценивается способность ДТ к самовоспламенению?

5. Расскажите о способах повышения цетанового числа.

6. Расскажите о причинах отложений.

7. Что входит в маркировку ДТ?

Автор: В. А. СТУКАНОВ
«АВТОМОБИЛЬНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ»