Тема 4. Эксплуатационные свойства и использование дизельного топлива

4.1 Требования, предъявляемые к дизельному топливу

Дизельные двигателя по сравнению с карбюраторными имеют следующие преимущества: высокая экономичность, применение в качестве топлива более широких

фракций нефти, лучшая приемистость и возможность перехода на режим с нагрузкой без полного прогрева, надежность и долговечность в эксплуатации.

Рабочий процесс отличается от рабочего процесса карбюраторного двигателя приготовлением и воспламенением топливовоздушной смеси. В дизельном двигателе топливо непосредственно впрыскивается в камеру сгорания, где находится воздух с высокой температурой и где практически одновременно происходят образование топливовоздушной смеси и ее самовоспламенение. Степень сжатия у дизельных двигателей составляет 14 - 20, коэффициент избытка воздуха 1,4 - 1,5.

Дизельное топливо, кроме общих, должно отвечать следующим требованиям:

– иметь хорошие смесеобразующие свойства и воспламеняемость;

– обладать соответствующей вязкостью;

– иметь хорошую прокачиваемость при различных температурах окружающей среды;

– не содержать сернистых соединений, водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды.

4.2 Условие сгорания топлива

Для того, чтобы топливо самовоспламенялось, оно должно быть нагрето до определенной температуры, называемой температурой самовоспламенения. Она зависит от химического состава топлива и от внешних условий (давления, состава рабочей смеси, типа камеры сгорания).

Наличие ароматических углеводородов в дизельном топливе, обладающих высокой устойчивостью к образованию перекисных соединений, вызывает увеличение периода задержки самовоспламенения, а вследствие этого жесткую работу двигателя.

Свойство дизельного топлива, характеризующее легкую или жесткую работу двигателя, оценивают по его самовоспламеняемости. Эту характеристику определяют путем сравнения работы стандартного двигателя на испытуемом и на эталонном топливах. Оценочным показателем служит цетановое число топлива. Цетановое число дизельного топлива представляет собой процентное (по объему) содержание цетана в смеси с альфаметилнафталином, которое по самовоспламеняемости равноценна испытуемому в стандартном двигателе топливу. Цетан обладает малым периодом задержки воспламенения. Его цетановое число принято за 100 ед. Альфаметилнафталин представляет собой ароматический углеводород, обладающий большим периодом задержки воспламенения и вызывает очень жесткую работу двигателя. Цетановое число его условно принято за 0 ед. Например, самовоспламеняемость испытуемого топлива равноценна самовоспламеняемости смеси, состоящей из 45% цетана и 55% альфаметилнафталина, то цетановое число топлива будет равно 45 ед. Цетановое число определяют по совпадению вспышек на одноцилиндровой установке ИТ9-ЗМ, работающей по принципу самовоспламенения топлива от сжатия (ГОСТ 3123-87). Конструкция установки обеспечивает изменение степени сжатия в пределах от 7 до 23. Сначала пускают двигатель и устанавливают стандартный режим работы, после чего переводят на испытуемое топливо. Изменяя степень сжатия, добиваются начала самовоспламенения топлива в ВМТ. Затем подбирают такую смесь цетана с альфаметилнафталином, чтобы она при этих же условиях самовоспламенялась строго в ВМТ. Процентное содержание цетана в этой смеси показывает цетановое число испытуемого топлива.

Для получения дизельного топлива лучше использовать нефти алканового и алканоцикланового оснований, в дистиллятах которых содержание ароматических углеводородов относительно невысоко. Цетановое число дизельного топлива должно быть не менее 45 ед. Применение топлива с меньшим цетановым числом приводит к увеличению периода задержки самовоспламенения и возникновению жесткой работы двигателя, выше 50 ед. нецелесообразно из-за уменьшения полноты сгорания топлива.

Для повышения цетанового числа дизельного топлива к нему прибавляют специальные высокоцетановые компоненты, например, соответствующие фракции жидкого топлива, получаемого в результате синтеза из оксида углерода и водорода. Для этого также вводят в топливо специальные присадки - перекиси углеводородов, нитросоединения - нитроалканы, изопропилнитрат. Однако при этом снижается стабильность топлива при хранении.

На процесс сгорания топлива значительное влияние оказывает конструктивные и эксплуатационные факторы. Положительное влияние оказывают повышение степени сжатия, а, следовательно, температура и давление воздуха в цилиндре двигателя. При этом снижается период задержки самовоспламенения, и двигатель работает более мягко.

Увеличение угла опережения впрыска топлива отрицательно сказывается на периоде задержки самовоспламенения, так как топливо поступает в менее сжатую и нагретую среду, и работа двигателя будет более жесткой. Если впрыскивание происходит очень рано, то за счет воспламенения и преждевременного сгорания части топлива может развиться значительное давление до прихода поршней в ВМТ. Это вызывает потерю мощности двигателя.

Форма камеры сгорания должна обеспечивать интенсивное вихреобразование при сжатии воздуха, обеспечивающее сокращение времени нагрева и испарения впрыснутого топлива. В качестве материала для поршней лучше использовать чугун, а не алюминий, так как он обладает меньшей теплопроводностью, и его температура будет выше, что способствует уменьшению периода самовоспламенения.

4.3 Смесеобразующие свойства дизельного топлива

При впрыскивании топлива в среду сжатого воздуха, которая нагрета до температуры 600 - 700°С, часть топлива самовоспламеняется, и процесс горения с выделением теплоты начинается еще до окончания цикловой подачи топлива. Образование топливовоздушной смеси протекает при более высокой температуре, чем в карбюраторном двигателе, которая повышается вследствие частичного совмещения процессов образования и сгорания топливовоздушной смеси.

Образование рабочей смеси в дизельном двигателе зависит от ряда факторов, основными из которых являются: температура и давление в камере сгорания, надежность подачи и степень распыливания топлива при впрыске, физико-химические свойства топлива.

Температура и давление в камере сгорания зависят от степени сжатия, охлаждения двигателя, частоты вращения коленчатого вала, наличия наддува.

Надежность подачи топлива является необходимым предварительным условием правильного смесеобразования и сгорания. Механческие примеси даже в небольшом количестве забивают фильтрующие элементы, вызывают износ плунжерных пар, корпуса и иглы распылителя форсунок, изготовленных с высокой точностью. Износ прецизионных деталей приводит к снижению давления и цикловой массовой подачи топлива, уменьшению давления впрыскивания, утечки топлива из-под иглы распылителя форсунок, что практически полностью нарушает работу двигателя. Содержание механических примесей в дизельном топливе не допускается (ГОСТ 6370-59).

Присутствие воды в топливе снижает надежность топливоподачи, ухудшает пуск двигателя, а при эксплуатации в зимнее время нарушает топливоподачу из-за образования в трубопроводах кристаллов льда. Поэтому содержание воды в дизельном топливе не допускается.

Под низкотемпературными свойствами топлив понимается их способность обеспечить работоспособность системы топливоподачи при отрицательных температурах.

Монотонное повышение вязкости с уменьшением температуры характерно для ньютоновских жидкостей. При определенной низкой температуре вязкость становится большой и наступает вязкостное застывание.

Склонность топлив к образованию кристаллов и потере подвижности оценивают по температурам помутнения, кристаллизации и застывания.

Температурой помутнения называют температуру, при которой теряется физическая однородность топлива вследствии образования микрокристаллов наиболее высокоплавких углеводородов и воды. Эта температура определяется по ГОСТ 5066-56, и значение ее у летнего топлива должно составлять не выше -5°С, зимнего -35°С. Температура кристаллизации - температура, при которой кристаллы в топливе обнаруживаются невооруженным глазом. Температура застывания – температура, при которой происходит сращивание кристаллов и топливо теряет подвижность. Зимнее топливо должно иметь температуру застывания не выше -45°С, летнее -10°С (ГОСТ 20287-74).

Для улучшения низкотемпературных свойств проводят частичную депарафинизацию топлива, применяют депрессоры (депрессорные присадки), которые препятствуют увеличению и сращиванию кристаллов.

Под распыливанием топлива понимают разделение его на мельчайшие частицы для создания наилучших условий смесеобразования и испарения. При струйном распыливании топливо попадает в среду сжатого воздуха, имеющего вихреобразное движение. Под действием кинетической энергии, сообщенной при впрыскивании, оно достаточно полно перемешивается с воздухом и испаряется. На качество смесеобразования при этом влияют степень распыливания и длина струи впрыскиваемого топлива. При увеличении давления впрыскивания возрастает скорость струи и уменьшается диаметр капель. На тонкость и однородность распыливания топлива оказывают влияние также противодавление в цилиндре, диаметр сопла форсунки, вязкость, плотность и поверхностное натяжение.

Увеличение противодавления или повышение плотности среды, в которую впрыскивается топливо, улучшают распыливание.

В двигателях с вихревыми камерами процесс смесеобразования протекает лучше за счет более полного сгорания топлива. В вихревой камере топливо самовоспламеняется и частично сгорает, образующиеся продукты выходят в основную камеру, где интенсивно перемешиваются с воздухом и догорают.

Скорость испарения впрыснутого топлива возрастает с улучшением качества распыливания. При применение топлива, имеющего плохую испаряемость и выкипающего при высоких температурах, скорость испарения может уменьшится настолько, что топливо не успеет перейти в газообразное состояние, т.е. полностью не сгорит. При этом увеличивается расход топлива, повышается износ деталей цилиндропоршневои группы из-за смывания несгоревшим топливом масла со стенок гильз цилиндров.

Испаряемость топлива оценивается фракционным составом. Для пуска двигателя желателен облегченный фракционный состав вследствие недостаточно высокой температуры и пониженного давления сжатого воздуха в цилиндрах двигателя.

На пуск двигателя оказывает влияние также цетановое число. Чем выше цетановое число, тем легче осуществляется пуск двигателя. Пусковые свойства дизельного топлива оцениваются температурой выкипания 50% топлива. Данная фракция должна перегоняться у марок топлива Л (летнее), 3 (зимнее) при температуре не выше 280°С, А (арктическое) - 255°С. 95% топлива марки Л должно перегоняться при температуре не выше 360°С, 3 - 340°С, А -330°С.

Фракционный состав дизельного топлива определяют также, как карбюраторного (ГОСТ 305-82). Определяют также температуру вспышки (ГОСТ 6336-75). Под температурой вспышки понимают ту минимальную температуру, до которой необходимо нагреть топливо, чтобы пары, образующиеся над его поверхностью, возгорались при поднесении открытого пламени. Значение ее у топлива марки Л должно быть не ниже 40°С (3 - 35°С, А - 30°С).

Одно из важнейших требований к качеству дизельного топлива – легкая прокачиваемость при различных температурах окружающей среды. Это качество зависит от вязкости и температуры застывания. В свою очередь вязкость зависит от температуры. Например, зимнее топливо при температуре 20°С имеет вязкость 6,36сСт, при минус 20°С - 50,92сСт.

При повышении вязкости дизельное топливо хуже проходит через топливные фильтры, в результате чего снижается подача топлива. Распыливание топлива ухудшается с увеличением последней.

Оптимальная кинематическая вязкость дизельного топлива составляет 3 - 8сСт при 20°С (рис. 4).

Рис. 4. Вязкостно-температурные характеристики дизельных топлив: 1 – марки Л; 2 – марки З

Использование топлива с вязкостью меньше указанных значений недопустимо, так как оно одновременно служит смазывающей жидкостью для приборов системы питания. Кинематическую вязкость определяют по ГОСТ 33-66 с помощью капиллярных вискозиметров ВПЖ-1, ВПЖ-2 и Пинкевича.

4.4 Нагарообразующие свойства топлива

На процесс нагарообразования в дизельном двигателе оказывают влияние следующие качества топлива: неполнота сгорания из-за тяжелого фракционного состава и повышенной вязкости; наличие в топливе высокомолекулярных смолисто-асфальтовых соединений, непредельных углеводородов, сернистых соединений и механических примесей; повышенная зольность.

Массовая доля серы в топливе определяется по ГОСТ 19121-73 и должна составлять в летнем и зимнем топливах не более 0,2 - 0,5%, арктическом - 0,4%. Содержание в топливе активных сернистых соединений не допускается и определяется по ГОСТ 6321-69 испытанием на медной пластинке.

Наличие механических примесей в топливе не допускается и определяется по ГОСТ 6370-59. Зола нежелательная часть дизельного топлива. Зольность топлива определяется по ГОСТ 1461-75 и допускается не более 0,01%. Она представляет собой минеральный остаток после сжигания топлива при температуре 800 - 850°С. Для оценки склонности топлива к нагарообразованию используют показатель коксуемости. Его удобно применять для сравнительной оценки различных партии топлива. Коксуемость топлива определяется по ГОСТ 19932-74. По стандарту допускается не более 0,05%. На практике определяют коксуемость остатка, получаемого после отгона из колбы 90% топлива. Коксуемость 10% остатка допускается не более 0,3%.

Косвенно показатель коксуемости топлива можно оценивать по содержанию в нем смол. Концентрация фактических смол в топливе определяется по ГОСТ 8489-85 и допускается для летнего топлива не более 30 мг, зимнего и арктического - 40 мг на 100 см.

К лако- и нагарообразованию склонны непредельные углеводороды. Их содержание можно оценить по йодному числу. Это число равно количеству йода, выраженному в граммах, которое вступает в реакцию со 100 г топлива. Йодное число определяют по ГОСТ 2070-55. Оно не должно превышать 6 г на 100 г топлива.

4.5 Коррозионные свойства топлива

Основным фактором, обуславливающим коррозию, является содержание в топливе водорастворимых кислот и щелочей, органических кислот, воды и сернистых

соединений.

По требованию ГОСТ 305-82 в дизельном топливе содержание водорастворимых кислот, щелочей и воды не допускается. Органические кислоты оказывают слабое коррозионное действие на детали цилиндропоршневой группы и материалы емкостей для хранения и перекачивания топлива. Содержание их оценивают по показанию кислотности. По стандарту кислотность дизельного топлива должна быть не более 5 мл КОН на 100 см³.

Особенно сильное влияние на повышение коррозионных износов оказывают содержащиеся в топливе сернистые соединения. В зоне высоких температур, где конденсация влаги ограничена или отсутствует, преобладает газовая коррозия от воздействия сернистых SО_з или серных SО_з ангидридов. В области пониженных температур, где возможны конденсация влаги и образование сернистой и серной кислот, преобладает кислотная коррозия. Отрицательное действие сернистых соединений в еще большей степени проявляется в условиях пониженных температур. Активность действия их в топливе проверяют испытанием на медной пластинке согласно ГОСТ 6321-69. Наличие активных сернистых соединений в топливе, обуславливающих сильную коррозию деталей цилиндропоршневой группы и емкостей для хранения, не допускается. Для снижения коррозионного воздействия этих соединений топлива на детали двигателя используют антикоррозионные покрытия на верхних компрессионных кольцах и верхней части гильз цилиндров, что значительно снижает их износ.

4.6 Марки и виды дизельных топлив

В зависимости от условий применения устанавливаются три марки дизельного топлива (ГОСТ 305-82):

– Л (летнее) - рекомендуемое для использования при температуре окружающего

воздуха 0°С и выше;

– 3 (зимнее) - рекомендуемое для применения при температуре окружающего воздуха минус 20°С и выше (температура застывания топлива не выше минус 35°С) и минус 30°С и выше (температура застывания топлива не выше минус 45°С);

– А (арктическое) - рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего 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% (для марки А не более 0,4%).

В условное обозначение топлива марки Л входят доля серы и температура вспышки, топлива марки 3 - массовая доля серы и температура застывания, топлива марки А- массовая доля серы.

Примеры условного обозначения:

1. Топливо летнее с массовой долей серы до 0,2% и температурой вспышки 40°С - топливо дизельное Л-0,2-40 ГОСТ 305-82;

2. Топливо зимнее с массовой долей серы до 0,2% и температурой застывания -35°С - топливо дизельное 3-0,2-35 ГОСТ 305-82;

3. Топливо арктическое с массовой долей серы 0,4% - топливо дизельное А-0,4 ГОСТ 305-82.