Дизельные топлива для автомобилей

Дизельные топлива для автомобилей

1. Характеристики испаряемости и вязкостные свойства дизельных топлив

Вязкость жидкости представляет собой внутреннее трение между слоями данной жидкости при их взаимном перемещении под воздействием внешней силы. Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном:

F = з•(—С₂?-?—С _?) ? (Ж₂ - Ж₁)•S,

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости относительно друг друга; S - площадь слоя, по которому происходит сдвиг; (v₂ — v₁)/(z₂— z₁) или dv? dz— градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига (см. рис. 1). Коэффициент пропорциональности з называется коэффициентом внутреннего трения или динамической вязкостью. Он количественно характеризует сопротивление жидкости смещению её слоев. Величина, обратная вязкости называется текучестью.

Рисунок 1 — Схема вязкого течения жидкости кинематической вязкостьюн: н _t = з_t? с_t

Единицей измерения кинематической вязкости в системе СИ являетсям²/с, однако на практике чаще используют единицу измерения мм²/с или сСт (сантистокс). Кинематическая вязкость изменяется с изменением температуры (см. рис. 2), поэтому стандартами она нормируется при 40^оС (более старыми стандартами при 20^оС. Понижение или повышение вязкости приводит к нарушению работы топливоподающей аппаратуры, процессов смесеобразования и полноты сгорания топлива. При понижении вязкости неизбежно увеличиваются подтекания и просачивания во всех зазорах и неплотностях. Увеличивается расход топлива. Подтекания через форсунку увеличивают нагарообразование и дымность выхлопа. Маловязкое топливо проникает в зазор плунжерной пары ТНВД, что приводит к уменьшению цикловой подачи и падению мощности. Ко всему прочему, дизтопливо смазывает прецизионные пары топливного насоса. При снижении вязкости смазывающие свойства ухудшаются, интенсифицируется износ плунжерных пар. Использование топлива повышенной вязкости приводит к ухудшению смесеобразования. На испарение вязкого топлива затрачивается большее время, оно не может полностью сгореть, что вызывает повышенное нагарообразование и дымление. Отработавшие газы становятся черными, более токсичными, повышается расход топлива.

Рисунок 2 — Изменение вязкости топлива — 1-летнее; 2- зимнее; 3- арктическое

Фракционный состав дизельного топлива. Наиболее важными точками фракционного состава являются значения температуры выкипания 50 и 96% топлива. Температура выкипания 50% топлива или процент испарившегося топлива при 250 ^оСЕ 250 характеризуют рабочие фракции топлива, которые обеспечивают запуск, прогрев, приемистость и устойчивость работы двигателя, а также плавность перехода с одного режима на другой. Для обеспечения нормальной работы двигателя температура выкипания 50% топлива должна лежать в пределах 250−280°С, а Е 250 максимум 65%.Полнота испарения топлива в двигателе характеризуется температурой выкипания 96% топлива. При слишком высоких значениях этих температур хвостовые фракции не успевают испаряться, они остаются в жидкой фазе в виде капель и пленки, которые, стекая по стенкам цилиндра, приводят к повышенному нагарообразованию, разжижению масла и форсированному износу. Температура выкипания 96% для летних топлив обычно находится в пределах 340−360°С. В современных стандартах используется такой показатель как процент испарившегося топлива при 350°СЕ 350, который должен быть минимум 85%.

2. Характеристики самовоспламеняемости дизельных топлив

Процесс самовоспламенения топлива в дизельном двигателе проходит через несколько этапов: впрыск в камеру сгорания, распыл, испарение, предпламенные реакции окисления углеводородов, самовоспламенение и горение дизтоплива.

Самовоспламенение впрыснутого в камеру сгорания дизтоплива инициируется под воздействием кислорода, высокой температуры сжатого в цилиндре двигателя воздуха и теплоты, выделяемой не этапе предпламенных реакций окисления углеводородов. Период от момента впрыска до момента самовоспламенения топлива называется периодом задержки самовоспламенения, который существенно влияет на процесс сгорания в целом. Если предпламенные реакции идут медленно, то период задержки самовоспламенения увеличивается, а его очаги возникают с опозданием. Топливо поступает в цилиндр, накапливается и затем происходит воспламенение сразу значительного его количества. Резко возрастает давление в цилиндре. Двигатель при этом начинает работать жестко, мощность падает. Жесткость работы дизеля, вообще говоря, зависит от темпа нарастания давления в цилиндре. Например, при темпе в 0,3−0,4 мПа на 1° поворота коленчатого вала двигатель работает мягко. При 0,6−0,8мПа — жестко, более 1,0 мПа — очень жестко. Чрезмерно жесткая работа означает и чрезмерные нагрузки, опасные для кривошипно-шатунного механизма и поршневой группы. Нежелательна и очень малая величина период задержки самовоспламенения, так как дизельное топливо воспламеняется непосредственно у форсунки, вызывая ее оплавление. Кроме того последующие порции топлива впрыскиваются в отработавшие газыувеличивается расход топлива, падает мощность двигателя, появляется дымный выхлоп.

Период задержки самовоспламенения, а соответственно самовоспламеняемость топлива оцениваются таким показателем как цетановое число, которое представляет собой процентное содержание нормального цетана СН₃ — (СН₂)₁₄ — СН₃(ЦЧ = 100 единиц) в смеси с ароматическим углеводородом с двумя бензольными кольцами — альфаметилнафталином С₁₁Н₁₀ (ЦЧ =0 единиц), которая по своей самовоспламеняемости равноценна испытуемому топливу. Имеется соотношение между цетановым числом ЦЧ и октановым числом по исследовательскому методу RON:

ЦЧ = (60 ± 5) — 0,5 RON.

Методы определения цетанового числа

Прямой (арбитражный) метод. Цетановое число дизельных топлив обычно определяют по методу «совпадения вспышек» на установках ИТ9−3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69 (ГОСТ 3122). Это одноцилиндровые четырехтактные двигатели, оборудованные для работы с воспламенением от сжатия. Двигатели имеют переменную степень сжатия е = 7 … 23. Угол опережения впрыска топлива устанавливается равным 13° до верхней мертвой точки (В.М.Т). Изменением степени сжатия добиваются, чтобы воспламенение происходило строго в В.М. Т. При определении цетанового числа дизельных топлив частота вращения вала одноцилиндрового двигателя должна быть строго постоянной (п = 900 ± 10 об/мин). После этого подбирают два образца эталонных топлив, один из которых дает совпадение вспышек (т.е. задержку самовоспламенения, равную 13°) при меньшей степени сжатия, а второй — при более высокой степени сжатия. Путем интерполяции находят смесь цетана сальфаметилнафталином, эквивалентную испытываемому топливу, и таким образом устанавливается его цетановое число.

Косвенный метод. Метод аналогичен определению октанового числа бензина путем сравнения диэлектрической проницаемости испытуемого топлива с эталонными топливами.

Методы повышения цетанового числа

Самовоспламеняемость дизельных топлив может быть повышена путем оптимизации химического состава и использования специальных присадок —промоторов самовоспламенения на основе алкилнитратов R — ON -O₂ или алкилпероксидов R — OO — Rммм. Принцип их действия основан на легком разложении молекул алкилнитратов и алкил-пероксидов по связям OO или ON. Образующиеся свободные радикалы R — O —инициируют самовоспламенение топлива. Использование промоторов самовоспламенения ограничено, потому что они способствуют снижению температуры вспышки и увеличению коксового числа топлива. Так же алкилнитраты способствуют увеличению содержания окислов азота в отработавших газах.

Цетановое число дизельного топлива, определенное до его смешения с промоторами самовоспламенения называется цетановым индексом ЦИ. Цетановый индекс может быть определен графически (рис. 3) или рассчитан по формулам:

Пусковые качества дизельного топлива при низких температурах и косвенно его самовоспламеняемость характеризует такой показатель как дизельный индекс ДИ:

ДИ = (1,8• А + 32)•(1,415/ с₁₅ — 1,315),

гдес₁₅ — плотность топлива при 15^оС, г/см³;

А — анилиновая точка, ^оС.

Анилиновая точка это критическая температура растворения топлива в анилине в пропорции 1:1 — при более высоких температурах образуется гомогенный раствор.

Соотношение между дизельным индексом и цетановым числом:

ЦЧ = 12,9 + 0,66 • ДИ

или представленное в таблице

Рисунок3 — Номограмма для определения ЦИ

3. Низкотемпературные свойства дизельных топлив

Низкотемпературные свойства характеризуются такими показателями, как температура застывания tз, температура помутнения tп и предельная температура фильтрации tпф. Температура застывания характеризует потерю текучести (подвижности) топлива с понижением температуры из-за увеличения вязкости и выделения кристаллов парафинов. При достижении tз невозможна подача топлива в цилиндры двигателя. Температурой застывания является температуря при которой поверхность, А (рис.4) топлива в пробирке, наклоненной под углом 45^о не изменяется в течение одной минуты. Температура помутнения — это температура, при охлаждении до которой топливо начинает мутнеть вследствие образования микрокристаллов парафинов. Надежная подача топлива обеспечивается при температуре окружающей среды на 3…5°С выше его температуры помутнения. Низшая температура, при которой еще возможно протекание топлива через стандартный топливный фильтр тонкой очистки, называется предельной температурой фильтрации.

Рисунок 4 — Застывание дизельного топлива Температура помутнения топлива зависит и от содержания в нем воды. Кристаллы льда и микрокристаллы парафина, образующиеся при отрицательных температурах, задерживаются фильтром тонкой очистки. Фильтры и калибровочные отверстия форсунки забиваются, нарушается или полностью прекращается подача топлива.

Методы понижения температуры застывания, помутнения и предельной температуры фильтрации

• уменьшение конечной температуры кипения топлива с 360^оСдо 320^оС, однако при этом уменьшается и выход конечного продукта при производстве топлива;

• депарафинизация дизтоплива, однако при этом уменьшается его цетановое число;

• использование депрессорных присадок, молекулы которых оседают на образующихся микрокристаллах парафина и не позволяют им сращиваться в большие агломераты;

• добавление в дизельное топливо керосина или бензина, однако при этом уменьшается его цетановое число и ухудшаются смазочные свойства, что лимитирует содержание керосина или бензина в дизтопливе10 — 15%;

• нагревание фильтра тонкой очистки или топлива в топливном баке (рисунок 5)

4. Антинагарные и противопожарные характеристики дизельных топлив

Нагарообразование в скоростных дизельных двигателях ведет к перегреву двигателя, закоксовыванию форсунок, ухудшению распыливания топлива. Показатели качества дизельного топлива, влияющие на нагарообразование и нормируемые ГОСТами, следующие: окислительная стабильность, содержание смол, йодное число, коксовое число, золы, механических примесей и соединений серы.

Рисунок 5 — Нагреватели топлива

Антинагарные характеристики

Окислительная стабильность, г/м³характеризует количество смол, образующихся в результате воздействия кислорода при температуре 95^оС.

Содержание фактических смол, мг/100 мл. В сравнении с бензинами количество смол в дизельных топливах значительно меньше

Йодное число представляет собой количество грамм йода, которое входит в реакцию с непредельными углеводородами, находящимися в 100 мл топлива. В результате окисления и полимеризации непредельных углеводородов образуются органические кислоты и смолы.

Коксовое число представляет собой процент кокса, образующегося в результате разложения топлива без доступа воздуха при температуре 800 — 900^оС. Для испытания используется 10%-ный остаток после разгонки топлива.

Содержание золы представляет собой процент золы, образующейся в результате сжигания пробы топлива в открытом тигле.

Сера, содержащаяся в топливе, влияет не только на массу образующегося нагара, но и на его свойства. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность.

Противопожарные характеристики

Температура вспышки в закрытом тигле — это самая низкая температура горючего вещества, при которой над его поверхностью образуется смесь паров и газов с воздухом, способная вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для последующего горения. Температура вспышки определяет условия безопасности применения топлива. В соответствии с ЕН 590 температура вспышки дизтоплив для условий Молдовы минимум 55^оС.

5. Противокоррозионные и противоизносные характеристики дизельных топлив

дизельный топливо цетановый антинагарный

Коррозионные свойства дизельных топлив связаны с присутствием в нем минеральных (водорастворимых) и органических кислот, щелочей, сернистых соединений и воды. Присутствие активных сернистых соединений в топливе определяется пробой (коррозией) на медной пластинке, а присутствие органических кислот — таким показателем как нейтрализующая способность (кислотность) топлива, которые рассмотрены во втором разделе.

Массовая доля серы — количество серы, присутствующее в топливе. Имеет двойственную характеристику: с одной стороны, повышенное содержание серы в топливе отрицательным образом сказывается на чистоте выхлопных газов. Но что ещё немало важно, приводит к образованию серных и сернистых кислот в системе смазки, которые в свою очередь влияют на коррозию деталей системы смазки двигателя — преждевременный износ двигателя обеспечен. Для компенсации такого отрицательного эффекта приходиться использовать щелочные присадки. С другой стороны, снижение количества содержания серы приводит к ухудшению смазывающих свойств топлива, а это укорачивает ресурс ТНВД и топливных форсунок. В этом случае приходиться вводить специальные, противоизносные присадки.

Механические примеси в топливе стандартом не предусмотрены (не допускаются). Топливо загрязняется при несоблюдении правил перевозки, хранения и заправки. Прецизионные пары топливных насосов имеют зазоры 1,5−3,0 мкм, поэтому даже небольшой процент механических примесей приводит к значительному абразивному износу.

В топливе в большей или меньшей степени постоянно присутствует в растворенном состоянии вода. Ее концентрация зависит от температуры окружающей среды. Особенно неприятно наличие эмульсионной воды при низких температурах. В этом случае кристаллами льда забивается система очистки и нарушается работа двигателя. Отрицательно действует вода на топливную аппаратуру, особенно на насос высокого давления и форсунки. Она способствует появлению коррозии поверхностей прецизионных пар и закоксовыванию распылителей форсунок. Однако при высоких температурах вода способствует удалению нагара (углерода) из камеры сгорания:

С + Н₂О = СО + Н₂.

Общее загрязнение, мг/кг характеризует загрязнение топлива нерастворимыми соединениями органического и неорганического характера. В соответствии с ЕН 12 662 порция топлива в количестве 250 — 500 грамм пропускается через мембранный фильтр под давлением 2 — 5 кПа и рассчитывается общее загрязнение С:

С = (М — м)•1000/мт,

где М — масса фильтра с загрязнениями, мг;

м — масса чистого фильтра, мг; мт — масса пробы топлива, г Чистоту топлива оценивают также коэффициентом фильтруемости, который представляет собой отношение времени фильтрования через фильтр из бумаги БФДТ при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива к первой. На фильтруемость топлива влияет наличие воды, механических примесей, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот. Коэффициент фильтруемости дизельных топлив находится в пределах 1,5−2,5.

Для оценки смазывающей способности дизельных топлив используют комплекс тестов, включающий лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания. В 1994 г. СЕС (Coordinating European Council) для исследований был выбран метод HFRR, т.к. он является быстрым и точным способом оценки смазывающих свойств дизельных топлив. Суть метода заключается в измерении диаметра пятна износа, образующегося при трении качения пары шарик-пластина под действием приложенной нагрузки (200 грамм) при температуре 60^оС. При испытании осуществляется возвратно-поступательное движение шарика с фиксированной частотой и длиной хода, при этом поверхность раздела трущейся пары шарик-пластина полностью погружена в емкость с топливом. Диаметр пятна износа, образовавшегося на испытательном шарике и измеренного под микроскопом, является показателем смазывающих свойств топлива. Метод испытания HFRR введен в европейский стандарт на дизельное топливо EN 590, и по нему установлена норма: диаметр пятна износа не более 460 мкм.

6. Экологические требования ЕВРО к дизельным топливам

Влияние указанных в таблице характеристик на работу двигателя и загрязнение окружающей среды рассмотрено выше в соответствующих разделах и подразделах.

7. Маркировка и ассортимент современных дизельных топлив

Европейский стандарт ЕН 590предусматривает следующие классы автомобильных дизельных топлив для умеренного климата в зависимости от значения предельной температуры фильтруемости CFPP:

Государственный стандарт России ГОСТ Р 52 368 — 2005 предусматривает выпуск дизельных топлив в соответствии с требованиями ЕН 590 ЕВРО 4

В зависимости от условий применения по ГОСТ 305–82 вырабатываются следующие марки топлива: Л— летнее, З — зимнее и А — арктическое.

В зависимости от содержания серы промышленность вырабатывает два вида дизельного топлива:

1) содержание серы до 0,2% - маркиА-0,2;Л-0,2−62;З-0,2- минус 45;

2) Содержание серы от 0,2% до 0,5% - маркиЛ-0,5−50;З-0,5-минус 35;А-0,4.В маркировке летних дизельных топлив (Л) последними цифрами указывается температура вспышки в закрытом тигле, а в зимних (З) — температура застывания.

С целью улучшения экологической обстановки, начиная с 1991 года в России было организованно производство экологически чистого летнего дизельного топлива ДЛЭЧ и арктического ДАЭЧ. Это топливо бывает двух видов:

1) с содержанием серы 0,05%;

2) с содержанием серы 0,1%

Для эксплуатации дизельных двигателей в условиях умеренного климата выпускается зимнее дизельное топливо с присадкой ДЗП. Для получения этого топлива в летнее дизельное топливо добавляют изопропилнитрат.

На рынке Республики Молдова представлены дизельные топлива Румынии, например компании PETROM: motorina EN 590/350 ppm; motorina 0,2% sulf; EN 590/10 ppm; EURO DIESEL 5 и др. (350ррм и 10 ррм означает содержание в топливе серы в количестве 350 и 10 мг/кг соответственно).