3.2.2. Основные свойства дизельных топлив

Свойства топлива, обеспечивающие его бесперебойную подачу

На подачу топлива влияют присутс твие в топливе механических примесей

и воды, вязкостно-температурные свойства топлива, температура помутнения

и застывания.

В топливоподающей аппаратуре дизелей зазор в топливном насосе

составляет 1,5–2,0 мкм, и это предопределяет очень высокие требования к чи-

стоте дизельного топлива. Механических примесей и воды в дизельном

топливе быть не должно.

Контроль за выполнением этого требования осуществляется следующим

стандартным методом. Через доведенный до пос тоянной массы бумажный

фильтр отфильтровывают разбавленное бензином дизельное топливо.

Увеличение первоначальной массы фильтра, отнесенное к массе пропущенного

через фильтр топлива, выраженное в процентах, и характеризует количес тво

механических примесей.

Показатели качества дизельного топлива существенно ухудшаются при

попадании в топливо воды. Вода присутс твует в топливе в свободном или в

растворенном состоянии. Но чаще всего наблюдается присутствие воды в

обоих состояниях одновременно.

Свободная вода находится в топливе в виде эмульсии, причем если размер

капель составляет доли микрона, то топливо даже не теряет прозрачности; с

увеличением размера капель топливо постепенно мутнеет и становится

непрозрачным. Растворимость воды в топливе зависит от температуры и может

изменяться от 0,003 % при 0°С до 0,01 % при 27 °С.

Испаряемость дизельных топлив

Процесс испарения дизельных топлив происходит в условиях высоких

температуры и давления, а также интенсивных вихревых движений воздуха,

характерных для внутренней полости камеры сгорания дизеля в конце такта

сжатия.

Время, отводимое на нагревание, зависит от частоты вращения вала

двигателя и составляет: от 50 мс для тихоходных двигателей до 0,5 мс для

–1

быстроходных (с частотой вращения 6000 мин ). На испарение дизельных

топлив влияютте же физико-химические свойства, что и на бензины в

двигателях с искровым зажиганием, но количественно эти характеристики

различаются.

48

Процессы внутреннего смесеобразования, характерные для дизелей, нельзя

рассматривать отдельно от процессов воспламенения и сгорания топлива.

Все топлива, применяемые для дизелей, имеют более тяжелый

фракционный состав, чем бензины. Начало их кипения находится в интервале

температур, в котором кончают выкипать бензины, или несколько ниже.

Диапазон кипения дизельных топлив обычно 150–360°С: для тихоходных,

стационарных и судовых дизелей используют более тяжелое топливо,

выкипающее при температуре 230– 360°С (газойль), или соляровые фракции с

температурой перегонки 300–400°С.

Дизельное топливо выпускают трех марок (таблица 10):

Таблица 10

Фракционный состав дизельных топлив

Температура

перегонки,°С

50%

96%

Летнее

Не выше 280°С

Не выше 360°С

Зимнее

Не выше 280°С

Не выше 340°С

Арктическое

Не выше 255°С

Не выше 330°С

При оценке испаряемости топлив в реальных условиях процесса в дизелях

необходимо учитывать значительное увеличение этих температур в связи с

высоким давлением среды, где происходит испарение. К моменту подачи

топлива в камеру сгорания давление воздуха в ней составляет: в двигателях без

наддува 5–6 МПа, а при наддуве 7–10 МПа.

На процесс испарения дизельных топлив большое влияние оказывает

поверхностное натяжение: чем меньше поверхностное натяжение, тем тоньше

и однороднее распыление топлива форсунками, способствующее ускорению

процессов испарения и смесеобразования.

Склонность топлива к самовоспламенению. Цетановое число

Воспламенение топлива в дизеле – сложный и многостадийный процесс.

Поскольку посторонних источников воспламенения топлива дизель не имеет,

то важнейшим показателем дизельного топлива является склонность его к

самовоспламенению. Топливо при впрыскивании в камеру сгорания

воспламеняется не сразу. Всегда происходит определенная задержка

воспламенения. Чем она меньше, тем более плавно идет процесс сгорания, а,

следовательно, двигатель испытывает меньшие динамические нагрузки,

работает мягко, без стуков.

Для четкой и однозначной оценки склонности топлива к само-

воспламенению стандартизован специальный показатель – цетановое число.

Цетановым числом (ЦЧ) называют процентное (по объему) содержание

цетана в смеси его с α -метилнафталином при условии, что эта смесь на

стандартной установке и стандартном режиме имеет такую же задержку

воспламенения, как и исследуемое топливо.

49

Определение ЦЧ производится на установках ИТ9-ЗМ или ИТД-69,

основным агрегатом которых является одноцилиндровый предкамерный дизель

3

рабочим объемом 652 см и переменной степенью сжатия.

В качестве эталонных топлив используют два индивидуальных

углеводорода – цетан (нормальный гексадекан C16 H34 ) и α-метилнафталин

(ароматический углеводород C11 H10 ). Цетан обладает высокой склонностью к

самовоспламенению (имеет малую задержку самовоспламенения), и его

воспламеняемость условно принята за 100 ед., α-метилнафталин, наоборот,

имеет большую задержку самовоспламенения, его воспламеняемость принята

за 0.

Составляя смеси цетана и α-метилнафталина в объемных процентах, можно

получить топливо с ЦЧ от 0 до 100. ЦЧ определяют методом совпадения

вспышек.

СН3

α -метилнафталин

ЦЧ современных топлив для быстроходных дизелей должно быть не менее

45, для топлив среднеоборотных и малооборотных дизелей ЦЧ не нормируется.

Значение ЦЧ топлив для быстроходных двигателей важно знать потому, что

этот показатель достаточно полно характеризует период задержки

воспламенения, от которого зависит скорость нарас тания давления в цилиндре,

а, следовательно, и жесткость работы дизеля. Внешне это проявляется стуками,

повышенной вибрацией, ухудшением топливной экономичности и дымным вы-

пуском.

При малой задержке воспламенения основная масса впрыскиваемого

топлива сгорает по мере его поступления в камеру сгорания. В этих условиях

процесс сгорания топлива зависит от способа его подачи и, следовательно,

может быть управляемым. При большой задержке первые порции поданного

топлива не воспламеняются, топливо накапливается в камере сгорания, а потом

сразу сгорает в очень короткий промежуток времени, вызывая быстрое

повышение давления, которое резко воздействует на поршень. Максимальное

тепловыделение при этом начинается в период расширения, в результате чего

топливная экономичнос ть ухудшается, происходит неполное сгорание топлива,

в отработавших газах появляется дым.

При прочих равных условиях решающим фактором, определяющим

склонность топлива к самовоспламенению, является его групповой и

индивидуальный химические составы. Наибольшей склонностью к

самовоспламенению обладают нормальные алканы, причем, чем больше

молекулярная масса такого алкана, тем лучшей самовоспламеняемостью он

50

обладает и, следовательно, более высоким ЦЧ. При одинаковом числе атомов

углерода в порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются в следующем

порядке: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды.

От ЦЧ зависят и пусковые свойства топлива. Чем оно меньше, тем хуже

пусковые свойства.

Чрезмерное увеличение ЦЧ, несогласованное с его испаряемостью, также

нецелесообразно, так как при этом очаги рано воспламенившегося топлива

встречаются с еще неиспарившимся, неподготовленным к сгоранию топливом,

что приводит к вялому, неполному сгоранию и, следовательно, к ухудшению

топливной экономичнос ти двигателя при одновременном увеличении дымнос ти

отработавших газов.

Для современных дизелей вполне достаточно ЦЧ топлива, равное 45; для

быстроходных дизелей (с частотой вращения 5000–6000 об/мин) нужны

топлива с более высокими ЦЧ.

Коррозионное воздействие дизельного топлива на двигатель

и топливоподающую аппаратуру

Основной причиной коррозионного воздействия дизельных топлив на

металлы являются содержащиеся в них соединения серы. В отличие от

бензинов в дизельном топливе допускается содержание небольшого количества

меркаптановой серы, которая относится к ее активным соединениям.

Для топлив, применяемых в средне- и малооборотных двигателях,

предельная норма содержания серы повышается до 1,5, а иногда и до 3 %.

Использование топлив с высоким содержанием серы допустимо только с

одновременным использованием масел со специальными присадками,

уменьшающими вредное воздействие серы на двигатель.

Высокую эффективность нейтрализации коррозионного воздействия

соединений серы обеспечивают также специальные присадки, вводимые

непосредственно в дизельное топливо. Их дейс твие основано или на

химической нейтрализации агрессивных продуктов непосредственно в

цилиндре двигателя, или на образовании защитных пленок на зеркале

цилиндров и поршневых кольцах.

В двигателе возможны два механизма дейс твия соединений серы,

влияющих на интенсивность коррозии и коррозионного износа:

1) высокотемпературный механизм, действующий в полос ти цилиндра, где

происходит газовая коррозия, которую вызывают образующиеся при сгорании

топлив сернис тый и серный ангидриды (SO2 и SO3 ).Коррозионное

воздействие SO3 в несколько раз больше, чем SO2 ;

2) низкотемпературный механизм дейс твия, обусловленный образованием

сернистой и серной кислот, которые накапливаются в масле и в

низкотемпературных отложениях (шламе).

Наряду с серой коррозионное воздействие на металлы оказывают и

содержащиеся в топливе водонерастворимые нафтеновые кислоты,

количественно оцениваемые показателем кислотности топлива. По

51

действующим нормам кислотнос ть дизельных топлив не должна превышать

5 мг КОН на 100 мл топлива.

Кислотность топлива влияет не только на изнашивание деталей

топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы двигателя. Установлена

связь кислотнос ти с количес твом нагара и закоксованностью распылителей

форсунок. Действие нафтеновых кислот при этом аналогично действию

соединений серы.

Присутствие водорастворимых кислот и щелочей в дизельных

топливах, как и в бензинах, не допускается. Контроль за этим ведут

индикацией водной вытяжки топлива на нейтральность.

Влияние свойств дизельного топлива на образование нагара

Образование нагара на деталях двигателя, омываемых горячими газами,

ухудшает его экономические и мощнос тные показатели.

В реальных условиях существует равновесное состояние, при котором

количества образующегося и выгорающего нагара становятся равными, и его

рост на поверхности камеры сгорания, на распылителях форсунок и в других

местах прекращается. Основное влияние на равновесное состояние оказывает

режим работы двигателя. Чем больше нагрузка двигателя и выше его

температурный режим, тем при более тонком слое нагара устанавливается его

равновесное состояние. При определенных условиях нагар может почти

полностью выгорать и вновь образовываться и т. д. Интенсивность образования

нагара зависит от многих факторов, в том числе и от свойств топлива.

Влияние серы на образование нагара связано с более интенсивным

процессом окислительной полимеризации углеводородов в присутс твии

соединений серы, в том числе продуктов ее сгорания.

Присутствие в топливе смол также увеличивает нагар. Смолы в топливе

являются вредными примесями, и их количес тво строго ограничивается

стандартом. В зависимости от марки дизельного топлива содержание смол не

должно превышать 30–50 мг на 100 мл топлива.

Анализы нагара, образовавшегося в камере сгорания дизелей, показали,

что в нем, кроме органических соединений, имеется негорючий компонент –

зола, которая вызывает абразивное изнашивание деталей двигателя, так как в

ней содержатся частицы высокой твердости.

Для ограничения и контроля негорючих компонентов в стандарты введен

показатель зольности, которая в дизельных топливах не должна превышать 0,01

%. Методика определения зольнос ти состоит в выпаривании навески топлива, а

затем прокаливании ее в фарфоровом тигле, массу которого предварительно

определяют на аналитических весах. В результате все органические

компоненты топлива выгорают, и в тигле остается негорючая зола. Масса золы,

отнесенная к массе навески топлива и выраженная в процентах, называется

зольностью топлива.

52

Таким образом, чем больше в топливе серы, смол, золы, тем сильнее при

прочих равных условиях следует опасаться образования нагара в зоне

поршневых колец и на распылителях форсунок. Увеличение содержания в

топливе ароматических и непредельных углеводородов (алкенов и алкадиенов),

а также утяжеление фракционного состава тоже усиливают образование нагара.