Лекция 3. Характеристика и эксплуатационные свойства дизельного топлива
3. ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО
3.1. Требования, предъявляемые к дизельному топливу
Дизельное топливо — это сложная смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов и их производных средней молекулярной массы 110…230, выкипающих в пределах +170…+380ºС. Температура вспышки составляет +35…+80ºС, застывания — ниже –5ºС. Дизельное топливо — это нефтяная фракция, прозрачная, более вязкая, чем бензин, с окраской от желтого до светло-коричневого цвета (в зависимости от количества содержащихся смол).
В сельском хозяйстве дизельное топливо используют для работы тракторов, комбайнов, стационарных дизелей, грузовых и некоторых легковых автомобилей. Основное преимущество дизельных двигателей — высокая экономичность: они расходуют топлива на 25…30% меньше, чем бензиновые.
Для обеспечения надежной, экономичной и долговечной работы дизельного двигателя топливо должно отвечать следующим требованиям:
– хорошо прокачиваться для бесперебойной и надежной работы насоса высокого давления;
– обеспечивать тонкий распыл и хорошее смесеобразование;
– полностью сгорать, не образуя сажистых и токсичных веществ;
– не вызывать повышенного нагарообразования в зоне распылителей форсунок и в камере сгорания;
– иметь минимальную коррозионную активность;
– обладать высокой теплотой сгорания и быть стабильным.
3.2. Ассортимент и применение дизельных топлив
Дизельное топливо для высокооборотных дизелей выпускалось ранее согласно ГОСТ 305-82. В настоящее время выведены из обращения. По этому стандарту маркировка топлива содержала, прежде всего, сезонность применения: Л — летнее топливо, З — зимнее, А — арктическое. Топливо летнее предназначено для применения при температуре окружающего воздуха не ниже 0ºС. Топливо зимнее выпускалось для двух климатических зон: для умеренной — с температурой не ниже –20ºС и для холодной — с температурой не ниже –35ºС. Топливо арктическое применяют не ниже –55ºС. Кроме того, топливо делили на два вида по содержанию в нем серы: в первом виде серы не более 0,2%, во втором, для летнего и зимнего топлива серы, не более 0,5%, а для арктического — 0,4%.
В соответствии со стандартом, при обозначении летнего топлива указывали предельное содержание серы и температуру вспышки, допустимые для данного топлива, например топливо дизельное Л-0,2-40.
При обозначении зимнего топлива вместо температуры вспышки указывали температуру его застывания, например, топливо дизельное З-0,5-35.
При обозначении арктического топлива указывали только предельное содержание серы, например дизельное топливо А-0,4 или А-0,2.
В настоящее время выпускается дизельное топливо по ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2004). Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия.
В условном обозначении топлива указывают его сорт или класс в зависимости от значений предельной температуры фильтруемости (для класса и температуры помутнения) и вид топлива в зависимости от содержания серы.
1. "Топливо дизельное ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2004), сорт А, вид I".
2. "Топливо дизельное ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2004), класс 1, вид II".
Для умеренного климата предельная температура фильтруемости, °С, не выше:
Сорт A (+5°С); Сорт B (0°С); Сорт C (-5°С);
Сорт D (-10°С); Сорт E (-15°С); Сорт F (-20°С);
Для холодного и арктического климата предельная температура фильтруемости, °С, не выше:
Класс 0 (-20 °С); Класс 1 (-26 °С); Класс 2 (-32°С);
Класс 3 (-38°С); Класс 4 (-44°С);
Для холодного и арктического климата температура помутнения, °С, не выше :
Класс 0 (-10 °С); Класс 1 (-16 °С); Класс 2 (-22°С);
Класс 3 (-28°С); Класс 4 (-34°С);
Требования к топливу по содержанию серы, мг/кг, не более, для топлива:
вид I - 350,0; вид II - 50,0; вид III - 10,0
СЕЗОННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ В В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ К ПРЕДЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ФИЛЬТРУЕМОСТИ
Центральный регион (Костромская область)
летний период:
с 1мая по 30 сентября (5 мес) - Сорт C (-5°С);
переходные весенний/осенний периоды:
с 1 по 30 апреля (1 мес) и с 1 по 31 октября (1 мес) - Сорт E (-15°С);
зимний период:
с 1 ноября по 31 марта (5 мес) - Класс 2 (-32°С);
Верхняя и нижняя температурные границы весеннего и осеннего переходных периодов ограничиваются пределами от минус 5 °С до плюс 5 °С по установленным среднесуточным статистическим значениям температур.
Переходными температурными границами между периодами по установленным среднесуточным значениям считаются:
- от зимнего периода к весеннему - выше (- 5 °С);
- от весеннего к летнему периоду - выше (+ 5 °С);
- от летнего к осеннему периоду - ниже (+ 5 °С);
- от осеннего к зимнему периоду - ниже (- 5 °С).
В РФ выпускается дизельное топливо по по ГОСТ Р 55475-2013.
В котором при обозначении зимнего топлива:
В условном обозначении при заказе указывают обозначение марки дизельного топлива и предельную температуру фильтруемости со ссылкой на стандарт.
Топливо дизельное зимнее ДТ-З-К5 минус 32 по ГОСТ Р 55475-2013.
Обозначении арктического топлива:
Топливо дизельное арктическое ДТ-А-К5 минус 52 по ГОСТ Р 55475-2013
3.3. Показатели качества дизельного топлива
Воспламенение топлива в дизеле — сложный и многостадийный процесс. Поскольку посторонних источников зажигания дизель не имеет, то важнейшим показателем дизельного топлива является склонность его к самовоспламенению. Топливо при впрыскивании в камеру сгорания воспламеняется не сразу. Всегда происходит задержка воспламенения, зависящая от свойств дизельного топлива, — чем она меньше, тем более плавно идет процесс сгорания, а, следовательно, двигатель испытывает меньшие динамические нагрузки, работает мягко, без стуков.
О склонности дизельного топлива к самовоспламенению судят по его цетановому числу.
Цетановым числом ЦЧ называют процентное (по объему) содержание цетана в смеси с a-метилнафталином, которое в стандартных условиях имеет такую же задержку воспламенения, как и испытуемое топливо.
Устанавливают воспламеняемость (цетановое число) топлива на установках ИТ9-3, ИТ9-3М или ИТД-69, основным агрегатом которых является одноцилиндровый предкамерный дизель с переменной степенью сжатия. Сущность метода заключается в сравнительном сжигании испытуемого топлива с искусственно приготовленной эталонной смесью, до совпадения вспышек. В качестве эталонов приняты два углеводорода: цетан и a-метилнафталин. Цетан имеет малую задержку воспламенения и его цетановое число принято за 100 единиц, a-метилнафталин, наоборот, имеет большую задержку воспламенения и его цетановое число равно 0 единиц.
Пример: испытуемое дизельное топливо оказалось по самовоспламенению таким же, как эталонная смесь, состоящая из 51% цетана и 49% a-метилнафталина. Тогда цетановое число данного дизельного топлива равно 51 единица.
Недопустимо считать при этом, что такое топливо состоит из 51% цетана
и 49% a-метилнафталина. Дизельное топливо, как и бензин состоит из
множества углеводородов.
ГОСТ Р 52368-2005 нормирует величину цетанового числа не менее 51 единицы. Применение топлив с цетановым числом менее 51 единицы может привести к жесткой работе дизельного двигателя. Повышение цетанового числа выше 53-55 единиц нецелесообразно, т.к. из-за малого периода задержки самовоспламенения топливо не успевает распространиться по всей камере сгорания, воспламеняясь и сгорая в основном вблизи форсунки. Поскольку наиболее удаленные от нее порции воздуха не в полной мере участвуют в процессе горения, экономичность двигателя снижается, и при этом наблюдается дымление.
Между цетановым числом ЦЧ топлива и его октановым числом ОЧ существует эмпирическая зависимость:
ЦЧ = 60 – ОЧ/2.
Например, цетановое число бензина Аи-92 равно:
ЦЧ = 60 – 92/2 = 14 единиц.
То есть, чем выше октановое число углеводородного топлива, тем ниже его цетановое число и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензина всегда ведет к снижению его цетанового числа.
Также можно узнать октановое число дизельного топлива:
ОЧ = (60 – ЦЧ)·2.
Например, октановое число для дизельного топлива с цетановым числом равным 51 единица:
ОЧ=(60–51) 2=18 единиц.
Поэтому при добавлении дизельного топлива в бензин происходит плохой запуск двигателя, длительный прогрев, и, как следствие, низкая экономичность, падение мощности и возможность детонационного сгорания.
Цетановый индекс дизельного топлива.
Является информационным значением цетанового числа.
Определяется по значениям плотности топлива и температуре выкипания 50% фракций. Далее по номограмме
Расхождение между цетановым числом и цетановым индексом составляет 2-3 единицы.
Фракционный состав дизельного топлива.
Для получения качественной горючей смеси топливо должно полностью испариться в камере сгорания. От испаряемости топлива зависит полнота его сгорания, пуск и работа двигателя, нагаро- и лакообразование, износ деталей двигателя и его экономичность, состав отработавших газов, расход масла. Испаряемость дизельного топлива оценивают по фракционному составу, температурам перегонки 50 и 96% топлива.
Фракционный состав дизельного топлива (ГОСТ 2177-82) так же, как и бензина определяют нагреванием 100 мл топлива в специальном приборе, образующиеся пары охлаждают, конденсат собирают в мерный цилиндр.
Дизельное топливо имеет более тяжелый фракционный состав, чем бензины (рис. 5). Начало их кипения находится в интервале температур, в котором кончают выкипать бензины, диапазон кипения дизельных топлив +170…+360ºС.
Рис. 5. Фракционный состав дизельного топлива и бензина (летних):
1 — бензин; 2 — дизельное топливо
С фракционным составом тесно связана температура вспышки, при которой пары топлива, нагреваемые в специальном аппарате, образуют горючую смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Температура вспышки характеризует опасность дизельного топлива при его транспортировке, хранении и заправке. Современные дизельные топлива имеют довольно низкую температуру вспышки +35…+40ºС.
Большое значение для бесперебойной подачи топлива имеют его вязкость и вязкостно-температурные свойства. Под вязкостью понимают свойство жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению ее слоев под действием внешней силы. Различают вязкость абсолютную (динамическую и кинематическую) и условную. ГОСТ 305-82 нормирует кинематическую вязкость топлив для быстроходных дизелей при +20ºС. Кинематическую вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт). Вязкость дистиллированной воды при +20,2ºС равна 1сСт (1сСт=10-2Ст=10-6м2/с).
Определяют кинематическую вязкость νt по времени истечения под действием силы тяжести жидкости по капиллярному вискозиметру (ГОСТ 33-82) и рассчитывают по формуле:
где с — постоянная вискозиметра;
τt — время истечения жидкости при температуре, ºС.
Понижение или повышение вязкости по сравнению с нормируемыми значениями приводит к нарушению работы топливоподающей аппаратуры, процессов смесеобразования и полноты сгорания топлива. Изменяется дозировка, часто снижается давление впрыска.
При пониженной вязкости увеличиваются подтекания и просачивания во всех зазорах и неплотностях, повышается расход топлива, увеличивается нагарообразование, падает мощность.
Повышенная вязкость приводит к ухудшению качества смесеобразования, при распыливании образуются крупные капли и длинная струя с малым углом (рис. 6).
а) б)
Рис. 6. Схема факела распыливания топлива:
а — при повышенной вязкости топлива;
б — при малой вязкости топлива
Возрастает продолжительность испарения, топливо сгорает не полностью, увеличивается его расход, повышается нагарообразование, возникает дымление. Как и для других нефтепродуктов, вязкость дизельного топлива понижается с ростом температуры и наоборот (рис. 7).
Рис. 7. Зависимость кинематической вязкости от температуры:
1 — летнее; 2 — зимнее; 3 — арктическое
Кроме вязкости на смесеобразование в равной степени оказывает влияние плотность. С повышением плотности увеличивается дальнобойность факела, снижается экономичность и растет дымность отработавших газов.
Плотность нормируется при 20ºС. Обозначается ρt, кг/м3. Плотность определяют обычно нефтеденсиметрами — специальными ареометрами. Но существуют и другие методы.
Помимо вязкости, для обеспечения эксплуатации дизелей в холодное время года большое значение имеют низкотемпературные свойства топлива. С понижением температуры топливо из прозрачного становится мутным. Это связано с образованием в нем микрокристаллов парафина, имеющих высокую температуру застывания. При дальнейшем понижении температуры число и размеры кристаллов увеличиваются, они начинают сращиваться, образовывать структурные решетки, текучесть топлива постепенно уменьшается и топливо застывает.
Низкотемпературные свойства дизельного топлива нормирует ГОСТ 305-82 по двум показателям: температуре помутнения и температуре застывания. Применять топливо можно только до его помутнения. При помутнении кристаллики парафина постепенно забивают фильтры, и подача топлива прекращается. В зависимости от химического состава топлива температура его помутнения на +5…+10ºС выше температуры застывания. Если в топливе хотя бы в очень небольших количествах имеется вода, помутнение начинается уже при температуре от 0 до –1ºС.
Коррозионная активность дизельного топлива зависит, главным образом, от наличия и количества в нем следующих соединений: водорастворимых (минеральных) кислот и щелочей, активных сернистых соединений, воды. Содержание водорастворимых кислот и щелочей, а также воды недопустимо. Активные сернистые соединения (сероводород, свободная сера, меркаптаны) всегда присутствуют в дизельном топливе, но их количество строго нормируется стандартом. Общее содержание серы в топливе зависит от способов его очистки и от того, из какой нефти получают это топливо.
Содержание серы в дизельном топливе предопределяет выход образующегося диоксида серы с отработавшими газами. При сжигании 1 т дизельного топлива была получена зависимость, которая приведена в таблице 12.
Таблица 12
Зависимость массы выброса диоксида серы дизельным двигателем
от содержания серы в топливе
Содержание серы в топливе, % |
Масса выброса диоксида серы, г/кг |
0,2 |
3,6 |
0,1 |
1,8 |
0,05 |
0,9 |
В Европе с . введено ограничение на содержание серы в дизельных топливах не более 0,05%.
Величина коррозии (износа) зависит и от режима работы двигателя (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость коррозионного износа от нагрузки двигателя
Меры борьбы с сернистой коррозией.
1. Очистка дизельного топлива от серы. Это достаточно сложный процесс гидроочистки, что приводит к повышению стоимости топлива.
2. Действию серы подвержены в основном стенки цилиндра и верхние компрессионные кольца. Для уменьшения сернистой коррозии прибегают к изготовлению этих деталей из легированных нержавеющих сталей или детали покрывают коррозионно-устойчивыми материалами (хромирование). Данный способ находит применение в поршневых двигателях.
3. Добавление к дизельному топливу присадок (нафтенат цинка, аммиак). Данный метод наиболее приемлем в стационарных установках, например судовых дизелях. В сельском хозяйстве его использование затруднительно.
4. Наиболее эффективный способ — правильный подбор для каждого типа двигателя моторного масла, содержащего определенные композиции присадок, что обеспечит существенное снижение коррозионного износа и надежную работу двигателя. Следует также соблюдать периодичность замены масел.
Одно из важных эксплуатационных свойств дизельного топлива — способность обеспечивать чистоту двигателя и топливной аппаратуры. Это свойство зависит от химического и фракционного состава топлива, а также от состояния и режима работы дизеля. На нагаро- и смолообразование в двигателе влияет наличие и количество в топливе серы, смол, механических примесей.
Для дизелей характерно закоксовывание отверстий распылителя форсунок: ухудшается распыл топлива, снижается, иногда прекращается его подача. Нагары и лаковые отложения образуются в камере сгорания на клапанах и др., накопление высокотемпературных отложений вызывает перегрев двигателя, снижение мощности и экономичности.
Контрольные вопросы
Какие эксплуатационные требования предъявляются к дизельным топливам?
Как маркируются дизельные топлива?
От чего зависит мягкая и жесткая работа дизельного двигателя?
Каким показателем оценивают самовоспламеняемость дизельных топлив?
Можно ли определить цетановое число бензина или октановое число дизельного топлива?
Что оценивает фракционный состав дизельного топлива? Сравнить фракционный состав бензина и дизельного топлива.
Каким показателем характеризуется огнеопасность дизельных топлив?
Чему равна вязкость и плотность дизельного топлива, и на какие процессы в дизелях их значение оказывает влияние?
Как влияет температура на кинематическую вязкость всех видов дизельного топлива?
По каким показателям производится оценка низкотемпературных свойств дизельного топлива?
Какие соединения вызывают коррозионную агрессивность дизельного топлива, и как влияет нагрузка автомобиля на величину коррозионного износа двигателя?
Существует ли возможность предотвращения коррозионной активности дизельных топлив?
От каких свойств дизельного топлива зависит запуск дизеля?
Что влияет на величину смоло- и нагарообразования в дизельном двигателе?