Автомобильные дизельные топлива

Тема № 5/1. Автомобильные дизельные топлива

Вопросы темы:

1.  Характеристики дизельных топлив и их маркировка

2.  Эксплуатационные требования к качеству дизельного топлива

3.  Свойства и показатели дизельного топлива, влияющие на работу двигателя

3.1 Свойства, влияющие на  подачу топлива в цилиндры  двигателя

3.2 Низкотемпературные свойства  дизельного топлива

3.3 Физическая и химическая  стабильность топлива

 

1. Характеристика дизельных  топлив. Маркировка

Дизельное топливо – это нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурой кипения 200…350˚С.

Это прозрачная и более вязкая, чем бензин, жидкость желтого или светло-коричневого цвета (в зависимости от содержания в ней смол). С плотностью 0,8…0,83 кг/м3.

Для автомобильных дизельных двигателей выпускаются топлива на базе керосиновых, газойлевых и соляровых дистилляторов прямой перегонки нефти. Для снижения содержания серы используют гидроочистку и депарафинизацию.

В силу этого ДТ по своему химическому составу представляет сложную смесь: алканов (от 10 до 40%), циклоалканов (20…60%) и ароматических соединений (14…30%) и их производных. С повышением температуры кипения фракции содержание ароматических углеводородов может увеличиваться до 40-47%. Средняя молекулярная масса ДТ находится в пределах от 110 до 230.

Маркировка дизельных топлив – характеризует сезонность или географическую область применения.

Л. – летнее, рекомендуемое для эксплуатации при температуре воздуха от 0˚С и выше.

З. – зимнее, рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 20 С и выше (при этом температура застывания ДТ не выше минус 35˚С), а также минус 30 С и выше (при этом температура застывания топлива не выше минус 45˚С).

А. – арктическое, рекомендуемое для эксплуатации при температуре воздуха минус 50˚С и выше.

По содержанию серы дизельные топлива подразделяются на два вида:

1.  массовая доля серы не более 0,2%

2.  массовая доля серы не более 0,5% (а для марки А. не более 0,4%).

В условное обозначение топлива марки:

- Л. Должны входить массовая  доля серы и температура вспышки  топлива;

- З. должны входить массовая  доля серы и температура застывания  топлива;

- А. должны входить только  массовая доля серы.

Например, Л. – 0,2 – 40 обозначает топливо летнее с массовой долей серы до 0,2% и температурой вспышки 40˚С;

З. – 0,2 – 35 обозначает топливо зимнее, с массовой долей серы до 0,2% и температурой застывания минус 35˚С;

А. – 0,4 – обозначает топливо арктическое, с массовой долей серы 0,4%.

Топлива для умеренной климатической зоны имеют более высокую температуру помутнения и застывания, а топлива для холодных климатических зон – более низкую. рекомендуемое для эксплуатации при температуре воздуха от 0 С и выше. алканов (от 10 до 40%)овых дистилляторов прямой перегон, рекомендуемое для

Топливо арктическое имеет температуру застывания минус 55˚С.

Для экспортных топлив, содержание серы не должно превышать 0,1%, фактических смол 25 мг на 100 см3, а зольность не более 0,008%.

Непредельных углеводородов в дизельных топливах практически нет.

В некоторые сорта дизельных топлив практически добавляют 20% каталитического газойля с содержанием ароматических углеводородов.

Экологически чистые дизельные топлива производят из гидроочищенных газойлевых фракций прямой гонки и вторичных процессов. Они не имеют антиокислительных присадок и содержат в себе общей серы не более 0,05%. Такие топлива без антиокислительных присадок имеют низкую химическую стабильность и непригодны для длительного хранения.

Для улучшения качества дизельных топлив на нефтеперерабатывающих заводах добавляют присадки: изопропилнитрат и циклогексилнитрат с целью повышения цетанового числа.

В прямогонных фракциях, в зависимости от перерабатываемой нефти, содержание серы колеблется в пределах:

- для сернистых нефтей  от 0,8 до 1,0%;

- в гидроочищенном компоненте  от 0,08 до 0,1%.

Городские дизельные топлива с улучшенными экологическими показателями имеют присадки:

- летом антидымные (ЭФАП-Б) или импортныую Лубризол 8288;

- зимой депрессорную –  сополимер этилена с винилацетаном.

В городских топливах экологические свойства, такие как дымность и токсичность отработавших газов меньше на 30…50% по сравнению с топливами без присадок. Они также отвечают европейским требованиям по содержанию серы.

 

2. Эксплуатационные требования  к качеству дизельного топлива

В дизельных двигателях сложные процессы смесеобразования и сгорания топлива происходят в течении очень малого промежутка времени. Угол поворота коленчатого вала за этот период соответствует только 20˚. Поэтому, чем будет быстроходнее двигатель, тем время этого процесса будет меньше.

Если сравнивать бензиновый и дизельный двигатели, то в бензиновом двигателе при равной частоте вращения коленчатого вала на процесс смесеобразования и сгорания рабочей смеси приходится в 10…15 раз больше времени.

Исходя из такого явления, происходящего в цилиндрах дизельного двигателя, к качеству дизельного топлива предъявляются специфические требования, такие как:

·  Хорошая прокачиваемость как условие бесперебойной и надежной работы ТНВД;

·  Обеспечение тонкого распыла и хорошего смесеобразования;

·  «Мягкий» пуск дизельного двигателя;

·  Полное сгорание рабочей смеси в цилиндрах и при этом работа двигателя должна быть «мягкая»;

·  Предотвращение нагорообразования на клапанах, поршнях и поршневых кольцах;

·  Недопущение зависания игл и закоксовывания распылителей фарсунок;

·  Отсутствие коррозионного воздействия на детали двигателя, топливоподающую систему, топливопроводы и топливные баки;

·  Высокая химическая и физическая стабильность.

Таким образом, надежная и экономичная работа дизельного двигателя обеспечивается при выполнении следующих условий:

·  Дизельное топливо для двигателя подобрано правильно;

·  Оптимальный угол опережения впрыска установлен верно;

·  Во время рабочего хода рабочая смесь сгорает полностью.

Если эти главные условия не будут соблюдаться, то мощность дизельного двигателя будет падать, дымность темного выхлопа увеличиваться, а удельный расход топлива возрастет.

 

3. Свойства и показатели  дизельного топлива, влияющие на  работу двигателя

3.1 Свойства и показатели  ДТ, влияющие на подачу топлива  в цилиндры двигателя

Свойства и показатели ДТ, влияющие на подачу топлива в цилиндры относятся:

·  Вязкость топлива;

·  Температурные свойства топлива;

·  Физическая и химическая стабильность топлива.

Вязкость – это показатель, определяющий прокачиваемость топлива по системе питания. Для ДТ различных марок вязкость бывает от 1,8 до 6,0 мм2/с. сели вязкость будет выше или ниже этих пределов, то работа топливоподающей аппаратуры нарушится, после чего нарушится смесеобразование и сгорание дизельного топлива.

Если вязкость ДТ – низкая, то смесеобразование ухудшается, и становится некачественным из-за неполного использования воздуха.

Если вязкость ДТ – высокая, то смесеобразование также ухудшается из-за медленного испарения крупных капель топлива, которые испаряются медленно и оседают на металле. Процесс горения нарушается. Топливо сгорает не полностью, увеличивается его расход, повышается нагарообразование. КПД – падает.

С ростом температуры индекс вязкости топлива (ИВ) понижается, а при ее уменьшении – возрастает.

Рисунок. Изменение индекса вязкости (ИВ) дизельного топлива в зависимости от температуры.

Лучшими свойствами обладает топливо со средней вязкостью от 2,5 до 4,0 мм2/с при 20˚С. Это топливо сохраняет свои свойства при отрицательной температуре, т.к. текучесть его трубопровода не изменяется.

Однако, чем выше вязкость ДТ будет при 20˚С, тем значительнее его изменение будет при понижении температуры. Поэтому, в зависимости от марки топлив применение его будут определять условия. Так для:

·  Летних ДТ вязкость должна быть 3,0…6,0 мм2/с;

·  Зимних ДТ – 1,8…5,0 мм2/с;

·  Арктических ДТ – 1,5…4,0 мм2/с.

Таким образом, вязкость ДТ в значительной степени предопределяет протекание рабочего процесса в цилиндрах двигателя, а следовательно, его эффективность и экономичность.

Низкотемпературные свойства ДТ.

Эти свойства зависят от:

·  Группового состава;

·  Фрикционного состава.

Парафиновые (алканы) и ароматические (арены) – это наихудшие группы.

Цикланы – это лучшая группа.

Все углеводороды, входящие в состав ДТ, имеют высокую температуру кристаллизации. Особенно это относится к парафиновым углеводородам. В холодную погоду они видны невооруженным глазом в виде кристалликов. Это все сковывает подвижность ДТ и образуется каркас.

Эту потерю подвижности называют застыванием ДТ. Такое топливо становится непригодным к эксплуатации.

Поэтому начало кристаллизации углеводородов характеризуется температурой помутнения, а потеря подвижности ДТ называется температурой застывания.

При температуре помутнения вязкость уменьшается незначительно. Однако, кристаллы, проникая через фильтры, образуют непроницаемую пленку и подача топлива прекращается.

Чаще всего это проявляется при пуске и проверке двигателя.

Но бесперебойная подача обеспечивается при температуре помутнения топлива тогда, когда еще она будет ниже на 5…10˚С от окружающего воздуха.

Температура застывания наступает тогда, когда ДТ теряет текучесть.

Установлено, что температура помутнения обычно колеблется от -7 до -13˚С, а температура застывания наступает от -12 до -19˚С.

Разница между температурой помутнения и застывания составляет от 50 до 15˚С в зависимости от химического состава топлива.

Есть показатель, который определяет температуру фильтруемости, которую определяют путем прямой фильтрации топлива при заданной температуре.

Температура предельной фильтруемости для летнего ДТ равна – 5˚С, а для зимнего ДТ – 25˚С.

Присутствие в топливе гигроскопической влаги не сказывается на температуре фильтруемости, которая повышается на 1…15%, при условии, если в ДТ есть эмульсионная вода в количестве до 0,1% от массы.

 

3.2 Низкотемпературные свойства  ДТ улучшаются двумя способами:

·  Удаление из состава топлива высокоплавких парафинов нормального строения;

·  Добавление в топливо депрессорных присадок (маркировки по ТУ38.101.889-87-ДЗп). Это приводит к снижению температуры застывания с -10˚С до -35˚С, а снижение температуры фильтрации.

Например. Присадка «Аспект-Д» вводится в летнее и зимнее ДТ из расчета 2г на 1кг топлива. Она обеспечивает бесперебойную работу двигателя до температуры -20˚С. Это сокращает время пуска зимой.

Некоторые присадки снижают только температуру застывания и не влияют на температуру фильтруемости. Поэтому в баке появляется два слоя:

1)  верхний (прозрачный) слой с пониженным цетановым числом;

2)  нижний (мутный) слой, в котором много мелких кристаллов парафина.

При отсутствии зимнего и арктического дизельного топлива допускается разбавление летнего и зимнего топлива керосином. Но при этом разбавленное керосином ДТ теряет часть своих смазывающих свойств, что приводит к изнашиванию деталей топливной аппаратуры.

И еще, смесь дизельного топлива с керосином более пожароопасна.

Если добавлять в ДТ присадки специальные – антигели, то температура застывания снижается до -47˚С. Это обеспечивает эксплуатацию при очень низких температурах.

Выводы:

1.  Низкотемпературные свойства ДТ определяются содержанием в них высокоплавких углеводородов и воды, характеризуемые показателями:

·  Температурой помутнения;

·  Температурой застывания;

·  Предельной температурой фильтруемости.

2.  Для двигателей, работающих на открытом воздухе, имеют большое значение такие показатели, как:

·  Температура застывания, характеризующая полную потерю подвижности;

·  Температура помутнения, при которой в топливе появляются первые кристаллы парафина.

3.3  Физическая и химическая стабильность дизельного топлива

Под воздействием внешних факторов в ДТ протекают физические и химические процессы, т.е. происходит испарение, загрязнение механическими примесями и водой, при охлаждении выпадают высокоплавкие компоненты, а также окисление, разложение и конденсация. Кроме этого в топливо попадают пыль из атмосферы, продукты коррозии, нерастворимые вещества, образующиеся в результате окисления.

Химическая стабильность топлива зависит от его состава. Нестабильным считаются те топлива, где есть непредельные соединения (алкены) и смолы. Смолы откладываются на горячих поверхностях и мощность двигателя падает на 15…20%. Количество смол не должно превышать 5мг на 100мл топлива.

Смолы образуются в результате процессов окислительной конденсации углеводородов в зависимости от температуры и катализаторов.

Катализаторами являются металлические поверхности резервуаров, трубопроводов, оксиды и соли на этих поверхностях.

Каталитическую активность проявляют в основном металлы переменной валентности, такие как железо (Fe), хром (Cr), марганец (Mn), Кобальт (Co) и другие.

Химическую стабильность оценивают по индукционному периоду, т.е. по времени до начала окисления.

Индукционный период – это интервал времени, в течение которого топливо, находясь в специальном герметически закрытом сосуде в атмосфере чистого кислорода при 0,7МПа и 100˚С, не вступает с кислородом в химические соединения.

Как только начинается падение давления в сосуде индукционный период заканчивается. Вот поэтому по индукционному периоду судят о химической стабильности ДТ, т.е. чем продолжительнее индукционный период топлива, тем выше его химическая стабильность.

Физической стабильностью обладают стандартные дизельные топлива, в которых не содержится летучих и малорастворимых компонентов и примесей, а давление насыщенных паров при 20˚С не превышает 1кПа. Потери топлива при больших и малых «дыханиях» резервуара не превышают 1,5 кг/м3 от паровоздушного пространства.