Властивості палива, які визначають якість сумішоутворення

Якість сумішоутворення залежить від в’язкості густини, випаровуваності палива, поверхневого натягу. Стандартом регламентовано перші три показники.

При аналізі впливу якості палива на сумішоутворення доцільно було б розглянути складаючи його «елементарні» фізичні процеси:

Під розпилом палива прийнято вважати процес розпаду струменя, що витікає із розпилюючого пристрою (форсунки) на краплини, та подальше подрібнення цих краплин на більш дрібні. У дизелях визначений розмір краплин обумовлено заданою геометрією факела розпилу. При цьому, як збільшення, так і зменшення розміру краплин, веде до порушення геометрії факела, а, як наслідок, до порушення роботи двигуна.

Розпад струменя палива на окремі краплини та якість сумішоутворення протікає під впливом зовнішніх і внутрішніх сил. Зовнішніми є аеродинамічні сили, що діють на струмінь. До внутрішніх відносять сили, що обумовлені впливом фізико-хімічних властивостей палива. До них відносять густину, в’язкість, поверхневий натяг. Розглянемо вплив цих властивостей більш детально.

Густина дизельного палива у більшій мірі визначає характеристики вприску палива – залежність об’єму палива, що подається форсункою від початку вприску до заданого моменту подачі. Оскільки паливний насос дизеля дозує кількість вприскуємого палива по об’єму нагнітальної порожнини насоса, при цьому, при об’ємному дозуванні збільшення густини палива збільшує його масову витрату прямо пропорційно. Крім того, внаслідок підвищеного максимального тиску у трубопроводі зростає продуктивність вприску, а тривалість, як правило, зменшується.

В’язкість дизельного палива у значній мірі визначає роботу паливної апаратури дизеля. Наприклад, зменшення в’язкості палива веде до зміни геометрії факела розпилу палива, основною характеристикою є далекобійність. Встановлено вплив фізико-хімічних властивостей дизельного палива на довжину суцільної дільниці струменя розпиленого палива L_c:

де - кінематична в’язкість при 20 ⁰С, мм²/с;

- густина палива при 20 ⁰С, кг/м³;

 – поверхневий натяг.

З підвищенням густини і в’язкості палива збільшується далекобійність струменя та ступінь заповнення камери згоряння паливом.

В’язкість також безпосередньо впливає на токсичність палива. Тонкість розпилу оцінюють розмірами краплин, що забезпечують найбільш повне і швидке випаровування і мають бути у межах 5…40 мкм. Середній діаметр краплин d_c залежить від фізико-хімічних властивостей дизельного палива у такій залежності:

d_c ~

Підвищення кінематичної в’язкості з 3 до 9 мм²/с веде до збільшення середнього діаметру краплин приблизно у 2 рази, густини – з 0,74 до 0,88 г/см³ – у 5 разів. Підвищення густини палив супроводжується сильним підвищенням в’язкості. При невеликій в’язкості зростає втрата палива у зазорах між плунжером та гільзою паливного насоса під час такту нагнітання, і як наслідок, кількість палива вприскуємого у циліндр зменшується, порушуючи роботу двигуна.

Паливо у системі живлення дизельного двигуна, крім того, виконує роль мастильного матеріалу. При недостатній в’язкості палива підвищується знос плунжерних пар насоса та голок форсунок.

Випаровуваність дизельних палив по стандарту оцінюється тільки фракційним складом.

Випаровуваність палив у дизельних двигунах має не таке важливе експлуатаційне значення, ніж випаровуваність бензинів у карбюраторних двигунах. Це пов’язано з тим, що у дизельному двигуні, сумішоутворення протікає при дуже високій температурі у кінці такту стиску повітря.

Фракційний склад сучасного стандартного дизельного палива має такі характеристики.

Переганяється при температурі, 0С
початок кипіння	10% фракцій	50% фракцій	90% фракцій	96% фракцій
180…210	205…230	250…280	320…345	330…370

Випаровуваність дизельних палив, у першу чергу, визначають пускові властивості.

Пускові властивості дизельних палив залежать від температури википання 50% (t_50%) фракцій. При цьому, цетанове число (якщо воно не надто низьке) впливає на легкість пуску, у меншій мірі, ніж фракційний склад. При запуску двигуна складаються найбільш несприятливі умови для сумішоутворення та самозаймання палива, внаслідок недостатньо високої температури у кінці такту стиску. При цьому велика кількість тепла передається холодним стінкам, а частина стискаємого повітря, при невеликих пускових обертах колінчатого валу, буде прориватися у картер. Ступінь стиску, а, як наслідок, і температура повітря у кінці стиску, будуть нижче порівняно з прогрітим двигуном. Саме тому, випаровуваність має бути такою, щоб у момент самозаймання утворювалася горюча суміш, яка відповідає межам займання.

Обважнювання фракційного складу погіршує пускові властивості. Полегшення пуску двигуна з кращою випаровуваністю спостерігається лише до певних меж полегшення фракційного складу, у зв’язку з погіршенням займання (рис. 1.11). Крім того, відбувається перезбагачення суміші поблизу форсунки і збіднення у решті камери згоряння, знову погіршуються пускові характеристики. Температура википання 96% фракцій палива (t_96%), в основному, здійснює вплив на потужності та економічні показники роботи дизеля.

Рис. 2. Вплив фракційного складу на показники роботи одноциліндрової установки, на базі двигуна ЯМЗ-236 у залежності від цетанового числа палива: І – ЦЧ=40±2; ІІ – ЦЧ=46±2; ІІІ – ЦЧ=52±2

Займання та згоряння палива у дизелі

Здатність дизельного палива самозайматися у дизелі та інтенсивність його згоряння залежить від хімічного складу палива, випаровуваності та цетанового числа. Стандартом самозаймистість палива кількісно оцінюється цетановим числом.

Сутність процесів займання та згоряння палива принципово різниться, хоча обидва представляють собою окислення молекул пального.

Самозаймистість дизельного палива у двигуні відбувається в результаті виникнення двох необхідних умов:

1) порушення рівноваги між швидкостями утворення та розпаду нестійких киснемістких з’єднань, у результаті цього виділяється надлишкова кількість енергії (тепла);

2) порушення рівноваги між швидкостями тепловиділення (від окислення палива) і тепловідводу до стінок камери згорання, у результаті чого температура підвищується, а хімічні реакції переходять в екзотермічні.

У любому дизельному двигуні процес згоряння палива можна розділити на чотири фази:

• передполум’яні екзотермічні хімічні реакції окислення палива (період затримки займання);

• період швидкого згоряння палива (період різкого наростання тиску);

• період сповільненого горіння;

• фаза догорання палива.

На рис. 3 представлено розвернуту індикаторну діаграму дизельного двигуна.

Р, МПа

Рис. 3. Розгорнута індикаторна діаграма дизельного двигуна

Складному процесу самозаймання дизельного палива завжди передує період затримки займання (ділянка 1–2, див. рис. 3) – проміжок часу від початку вприскування (точка 1) палива до моменту його займання (точка 2).

Загальний період затримки займання складається з часу, що витрачається на протікання фізичних процесів (τ_ф) (розпил палива, перемішування його з повітрям, нагрів та випаровування (τ_ф ≈ 0,1…10 ^-3 мс), і часу необхідного для хімічних реакцій (τ_x) (передполум’яні реакції багатостадійного окислення вуглеводнів палива, τ_x ≈ 1,8…5,0 мс).

У результаті передполум’яних реакцій накопичується тепло (його виділяється більше, ніж відводиться до стінок камери згоряння), температура підвищується, швидкості хімічних реакцій ростуть і починається процес горіння (точка 2, рис. 3) – самозаймаються проміжні продукти окислення палива.

У період швидкого зростання тиску (ділянка 2–3) відбувається процес горіння. Однак, подача палива на цей час ще продовжується, тому за другу фазу не може згоріти весь цикловий заряд палива, а згоряє тільки його основна частина. Інтенсивність наростання тиску залежить від об’єму палива, яке подається в циліндр за період затримки займання.

У період повільного горіння (ділянка 3–4) згорає та частина палива, що продовжує подаватися форсункою до кінця вприскування. Під час цієї фази горіння тиск в циліндрі спочатку майже не змінюється, а потім починає знижуватися.

Дизельні палива, які володіють кращою займистістю у двигуні, забезпечують нормальне протікання процесу згоряння без різкого підвищення тиску і появи, у зв’язку з цим, стуків у циліндрі. Однак, надмірне зменшення періоду затримки займання недоцільне, оскільки знижується повнота згоряння, збільшується витрата палива, чадність відпрацьованих газів та маса відкладень нагару у камері згоряння.

Цетанове число (ЦЧ) – основний показник займистості палива у дизельному двигуні, який характеризує тривалість періоду затримки займання палива.

При малому періоді затримки займання двигун працює «м’яко», без стуків, при підвищеному періоді затримки, у камері згоряння накопичується паливо, що веде до вибухового згоряння. В цьому випадку тиск росте дуже стрімко і тому двигун працює «жорстко», із стуками.

Незалежно від складу палива, з підвищенням ЦЧ, період затримки займання знижується, але з підвищенням форсування двигуна (збільшення температури, перш за все, і тиску заряду) його вплив зменшується, що спостерігається при підвищенні частоті обертів колінчатого валу двигуна.

Вибір ЦЧ для дизелів визначається найбільшим ефектом зниження періоду затримки займання (найбільш ефективне значення ЦЧ 45…50 одиниць). При значному збільшенні цетанового числа (більше 70 одиниць) наглядається втрата потужності та димність відпрацьованих газів двигуна. Це пояснюється тим, що при дуже малому періоді затримки займання паливо швидко згорає у безпосередній близькості від форсунки. Решта палива, що вприскується, попадає у зону горіння. В результаті цього, у камері згоряння утворюються зони перенасиченої (у районі форсунки утворюються продукти неповного згоряння – сажа) та перезбідненної (неповне використання об’єму камери згоряння на периферії) сумішей. Це знижує потужності та економічні показники двигуна. Крім цього, збільшення ЦЧ підвищує вартість палива.

На практиці, при відсутності можливості визначення ЦЧ за моторним методом, використовують розрахунок цетанового індексу по показникам палива. Однак, цетановий індекс лиш приблизно може оцінити величину ЦЧ. По стандарту цетановий індекс розраховують за формулою

ЦІ = 454,74–1641,41ρ+774,74ρ²-0,554t_50%+97,803 lg²t_50%,

де ρ – густина палива при 15⁰С, г/см³

t_50% – температура википання 50% фракцій палива, ⁰С.

При однакових ЦЧ обваження фракційного складу палива приведе до росту тривалості періоду затримки займання.

Схильність до утворення відкладень

Для надійної роботи дизельних двигунів палива, які застосовуються, не повинні викликати значних відкладень нагару, лаку осадків на деталях камери згоряння та в агрегатах системи живлення. Стандартом до утворення відкладень регламентована зольністю і коксівністю 10%-вого залишку, концентрацією фактичних смол.

Дизельне паливо при згорянні не повинне утворювати нагаровідкладення на деталях камери згоряння, клапанах газорозподільного механізму, поршневих кільцях, голці та корпусі форсунки і т. д., тобто не призводити до значних порушеннь у роботі. Так, нагар, що утворюється на клапанах, призводить до їх зависання, у камері згорання – до порушення тепловіддачі, на форсунках – погіршення якості вприскування. Вкрай небажане утворювання відкладень на поршневих кільцях, що приводить до їх закоксовування, отже, порушує компресію, збільшує прорив газів в картер двигуна, підвищує частку угару моторного масла і т. п.

На процес нагароутворення у дизелі впливають наступні властивості палива: неповнота згоряння – по причині тяжкого фракційного складу та підвищеної в’язкості; присутність у паливі високомолекулярних смолисто-асфальтових з’єднань, концентрація фактичних смол, ненасичених вуглеводів, сірчистих з’єднаннь і механічних домішок; підвищеної зольності. Тому, для того, щоб зменшити нагароутворення у двигуні, необхідно або повністю очистити паливо від небажаних з’єднань, або значно зменшити їх присутність.

Для оцінки схильності палива до нагароутворення використовують показник коксівності. Його зручно використовувати для порівняльної оцінки різноманітних партій одного і того ж палива при приймальних випробуваннях.

Коксівність 10%-вого залишку є непрямим показником схильності палив до нагароутворення.

Крім нагару, на деталях утворюються також лакові відкладення – продукти високотемпературного окислення ненасичених вуглеводів і других з’єднань. Окремо показник коксівності палива можна оцінювати за вмістом у ньому смол.

Небажаною частиною дизельного палива є зола, що представляє собою мінеральний залишок після горіння палива в атмосфері повітря при температурі 800…850 °С. Для дизельного палива зольність не повинна перевищувати 0,01%. З підвищенням зольності значно росте знос деталей паливної апаратури і ци-ліндропоршневої групи двигуна.

Зольність – показник схильності до утворення відкладень при високих температурах.

Сірчисті з’єднання, які містяться у паливі, впливають, головним чином, на якість нагару. Сірка, концентруючись у нагарах та відкладеннях, робить їх більш твердими і важковиводимими. Так, при вмісті у паливі 0,08% сірки у нагарах її містилося 1%, а густина відкладень становила 0,03 г/см³. При підвищені вмісту сірки у паливі до 1,5% у нагарах її вміст зріс до 9%, а густина відкладень збільшилася до 0,5 г/см³.

Корозійна активність, протизносні властивості палива

Корозійна активність дизельних палив та протизносні властивості оцінюються по стандарту вмістом загальної і меркаптанової сірки, сірководню, випробуванням на мідній платині, кислотністю.

Під корозійною активністю вважається властивість палива або продуктів його згоряння викликати при контакті з металами корозію.

Під протизносними властивостями вважається спроможність палива виконувати функції змащувально-консерваційного матеріалу для деталей паливної апаратури, тертьових плунжерних пар паливних насосів.

Корозійна активність дизельних палив залежить від вмісту у них у значних кількостях безвуглеводних компонентів – кисне- і сірко з’єднань.

Кислотність характеризує вміст органічних кислот у дизельному паливі, які викликають корозію кольорових металів, особливо свинцю і цинку.

При збільшенні кислотності дизельного палива з 4 до 5 мг КОН на 100см³ продуктивність форсунок за один хід плунжера може зменшуватися на 13,5%, а середній знос плунжерних пар – збільшитися на 50%.

Сірка, якщо вона є у вільному стані у паливі, майже миттєво взаємодіє з міддю та її сплавами, створюючи сульфіди, внаслідок чого поряд із корозією металу, що призводить до втрати його маси, спостерігається утворення відкладень на металі. Встановлено, що при зниженні вмісту сірки у дизельному паливі з 1,0 до 0,003% зменшується знос плунжерів у 2 рази. Знос деталей циліндропоршневої групи ілюструється рис. 4.

Меркаптановою сіркою називають частку (у відсотках), що припадає у паливі на наявну у меркаптанах сірку. У меркаптанах атом водню здатен заміщатися на метал з утворенням меркаптидів. При окисленні меркаптанів можуть утворюватися сульфоокисли і сірчана кислота. Корозія металів меркаптанами визначається їх концентрацією (вище 0,01%) у паливі і складом.

S, %

Рис. 4. Вплив масової частки сірки в паливі на знос деталей

Вміст сірководню – обов'язковий контрольний показник якості палива. Сірководень кородує цинк, залізо, мідь, латунь, алюміній. Тому, при його виявленні дизельне паливо для застосування не придатне.

Іспит на мідній пластинці – якісний показник присутності активних сірчистих з'єднань у паливі.

Для вивчення впливу всіх факторів на протизносні властивості дизельних палив були проведені дослідження на машині тертя КИИГА, що відтворює тертя ковзання, результати яких мають гарну кореляцію і з зносом плунжерів паливних насосів двигунів. Протизносні властивості (рис. 5) оцінювали по діаметру плями зносу шарів (в мм), критичному навантаженню (в Н) і загальному показнику – критерію протизносних властивостей.

В’язкість при 20^оС, мм²/с

Кислотність, мг КОН/100 см³

Рис. 5 Залежність протизносних властивостей дизельного палива від їх в’язкості, кислотності та вмісту води: Р_к – критичне навантаження; υ – діаметр плями зносу; К – критерій протизносних властивостей (загальний показник)

Представлені результати свідчать про те, що протизносні властивості дизельних палив залежать від ряду фізико-хімічних властивостей і можуть змінюватися у 2–3 рази для палив із припустимими вимогам стандарту межами значень цих показників. Суттєві різниці між паливами диктують необхідність контролю цих важливих експлуатаційних показників.

Прокачуваність, низькотемпературні властивості палива

Прокачуваність дизельного палива стандартом оцінюється в’язкістю, вмістом механічних домішок і води, коефіцієнтом фільтрування, низькотемпературними властивостями.

Низькотемпературні властивості оцінюються температурою застигання палива і граничною температурою фільтрування.

Основні вимоги, які пред'являються до якості дизельного палива, полягають у тому, щоб воно легко прокачувалось по паливній системі і безперебійно надходило у циліндр двигуна.

Розглянемо вплив показників якості дизельного палива на прокачуваність більш докладно.

В’язкість дизельних палив значно залежить від температури. З підвищенням в’язкості збільшується опір покачуванню палива по системі живлення. При певному значенні в’язкості опір системи живлення настільки зростає, що паливо перестає надходити у потрібній кількості.

Найбільш надійним і точним методом визначення в’язкості при різноманітних температурах є метод практичного визначення в’язкості за допомогою капілярних віскозиметрів.

Чим важче фракційний склад, тим сильніше в’язкість палива залежить від температури. Для стабілізації режиму роботи дизельного двигуна при зміні в’язкості палива використовують автоматичні в’язкостні коректори, які забезпечують сталість масової циклової подачі.

Вміст механічних домішок і води у дизельних паливах строго регламентується.

Коефіцієнт фільтрування дизельного палива дозволяє оцінити вміст загальної забрудненості та поверхнево-активних речовин, які викликають закупорку пор паперових фільтрів та ускладнюють роботу паливної апаратури двигунів. Чим більше у паливі механічних домішок, тим вище коефіцієнт фільтрування. Причому, механічні домішки роблять більш істотний вплив на коефіцієнт фільтрування тих палив, у яких більше смолистих з'єднань.

Порушення роботи паливної системи двигуна, особливо при низьких температурах, більш за все є наслідком випадання твердих кристалів, які забивають фільтрувальні елементи. Відбувається таке явище тому, що у дизельному паливі містяться розчинені парафінові вуглеводи, які при зниженні температури кристалізуються.

Температура помутніння – температура, при якій змінюється фазовий склад палива (з’являється тверда фаза). При цьому паливо починає «мутніти».

Температура застигання палива лише до деякої міри характеризує поводження палива у системі живлення двигунів. По ній у більшій мірі судять про можливість заправки, транспортування, зливу та наливу палива.

Температура застигання нижче температури помутніння на 5…10 С. При зниженні температури, зрощення кристалів парафіну утворюють просторову решітку, де усередині знаходяться рідкі вуглеводи палива.

Для забезпечення нормальної роботи дизельного двигуна необхідно, щоб температура застигання палива була на 8…12 С нижче температури навколишнього середовища.

Гранична температура фільтрування оцінює низькотемпературні властивості в умовах, що максимально наближені до умов експлуатації.

Гранична температура фільтрування дизельних палив завжди нижче температур помутніння, але вище температур застигання. Гранична температура працездатності дизелів приблизно відповідає граничній температурі фільтрування. Проте, така відповідність не завжди правдива. Різниця залежить від конструктивних особливостей систем живлення дизелів і вмісту депресорних присадок у паливі. Гранична температура фільтрування завжди нижче (на 2…10ºС) температури застигання.

У холодні періоди року перед використанням дизельних палив літних марок, або задля поліпшення низькотемпературних властивостей зимових, мають бути проведені певні заходи. Насамперед це стосується запобіганню утворенню кришталів льоду у разі обводнення палива. Для цього застосовуються спеціальні рідини (И, ТГФ, И-М та ін.). Зниження температури застигання дизельного палива може проводитися шляхом внесення депресорних присадок або розбавлення його гасом чи конденсатом або бензином, але добавки, наприклад, бензину не повинні перевищувати 5…15% (бензин повинен бути не етильованим та мати мінімальне октанове число).

Екологічні властивості дизельних палив

Вплив палив на навколишнє середовище виявляється, в основному, у трьох напрямках: токсичному впливі на людей, що безпосередньо контактують із паливом; забруднення атмосфери шкідливими речовинами, які містяться у відпрацьованих газах двигуна, і пожежною небезпекою палив.

Пожежну небезпеку палива можна характеризувати тиском насичених парів, а також температурами його спалаху і самозаймання. Стандартом регламентована температура спалаху у закритому тиглі.

Саме дизельне паливо є малотоксичною пальною рідиною і за ступенем впливу на організм наслежить до 4 класу небезпеки (ГОСТ 12.1.007).

Шкідливі речовини, які виділяються при роботі дизеля, є однією з головних причин забруднення атмосфери міст. Для дизельних двигунів у відпрацьованих газах нормується вміст твердих часток (сажі), монооксиду вуглецю СО і оксиду азоту NO_x.

На утворення сажі та її виділення з відпрацьованими газами значною мірою впливає груповий склад палива. Найбільшу кількість сажі дають палива, що містять важкі ароматні вуглеводні (у 20 разів більше ніж ті, що містять парафінові). Кількість вуглеводнів та оксидів азоту у відпрацьованих газах збільшується з переобтяженням фракційного складу і збільшенням густоти палива.

На цей час зниження токсичності відпрацьованих газів вирішується комплексно, як шляхом покращення організації процесів сумішоутворення і згоряння палива, впровадження каталітичних конверторів, так і шляхом добору оптимального групового і фракційного складу палив, розробки і впровадження протидимчастих присадок до палив.

Стандарти та марки дизельних палив

Нормативна документація на якість дизельного палива, що діє в Україні, включає такі стандарти: державний стандарт України (ДСТУ 3868–99), технічні умови України (ТУ 38. 601–53–2–93), ГОСТ 1667–68 та міждержавний стандарт ГОСТ 305–82.

Основна частина палив імпортується з Росії, Білорусії і Литви. Російські нафтопереробні заводи випускають дизельне паливо по ГОСТ 305–82, а також по союзним ТУ і технічним умовам Російської Федерації (ТУ 38. 401–58–106–94, ТУ 38. 1011348–90 та ін.) Підприємства Білорусії й Литви також виробляють свою продукцію, в основному, по російським нормативним документам. У країнах Європейської Спілки випускається дизельне паливо, що відповідає вимогам європейського стандарту EN 590. Близькі до них по якості дизельні палива випускаються і у країнах Центральної Європи. При імпорті нових марок дизельного палива з країн ближнього і дальнього зарубіжжя сертифікуватися вони будуть згідно з вимогами нормативної документації, яка діє в Україні.