3. Методы оценки самовоспламенения топлива в дизелях. Проблемы выбора и рекомендации

С 1996 г. В Европе введены более жесткие ограничения на качество топлива. Наиболее жесткие требования к показателям качества дизельного топлива предложены скандинавскими странами: содержание серы не более 0,001%, полициклических ароматических углеводородов не более 0,02%, температура конца кипения не более 300 °С.

Производство дизельного топлива в РФ в последние годы составляет ~46-47 млн т/год, из них топлива с содержанием серы S < 0,20% – более 80%.

Топлива для быстроходных транспортных дизелей вырабатывают в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти с добавлением легкого газойля каталитического крекинга. Дизельные топлива могут включать следующие группы углеводородов, % (об.): нормальные парафиновые – 5-30, изопарафиновые – 18-46, нафтеновые – 23-60, ароматические – 14-35.

По ГОСТ 305-82 вырабатывают три сорта дизельного топлива: «Л» (летние) – для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше, с температурой конца кипения t_KK не выше 360 °С; «3» (зимние) – для эксплуатации при температуре -20 °С и выше (температура застывания не выше -35 °С) и при -30 °С и выше (температура застывания не выше -45°С); t_KK не выше 340 °С; «А» (арктические) – для температуры окружающего воздуха -50 °С и выше с t_KK не выше 330 °С. Содержание серы в дизельном топливе марок J1 и 3 не должно превышать 0,2% для вида I и 0,5 % – для вида II, а марки А – 0,4%. Вырабатывают также дизельные экспортные топлива ДЛЭ и ДЗЭ с содержанием серы 0,05%.

Увеличение выпуска дизельных топлив возможно как путем повышения t_KK (топлива утяжеленного фракционного состава УФС), так и путем одновременного повышения t_KK и снижения температуры начала кипения t_HK (топлив расширенного фракционного состава РФС). Топлива типа УФС используют в качестве летних. С 1991 г. осуществляется производство экологически чистого дизельного топлива по ТУ 38.1011348-89 летнего (ДЛЭч-В и ДЛЭч) и зимнего (ДЗЭч) с содержанием серы до 0,05% (вид I) и 0,1% (вид И) и содержанием ароматических углеводородов не более 20% (ДЛЭч-В) и не более 10% (ДЛЭч). Кроме того, осуществляется выпуск городского дизельного топлива для использования в Москве (табл. 13). В городское топливо обязательно добавляют присадки: летом – антидымную (на основе бария), зимой – антидымную и депрессорную (улучшающую низкотемпературные свойства).

Таблица 13 – Свойства дизельных экологически чистых топлив

Показатели	Нормы для марок (по ТУ 38.401-58-170-96)
	ДЭК-Л	ДЭК-3	ДЭКл-Л	ДЭКл-3 -20 °С
Цетановое число, не менее	49	45	49	45
Фракционный состав:
50% перегоняется при температуре, °С, не выше	280	280	280	280
96% перегоняется при температуре (конец перегонки, °С, не выше	360	340	360	360
Кинематическая вязкость при 20 °С, мм2/с	3,0-6,0	1,8-5,0	3,0-6,0	1,8-6,0
Температура, °С, не выше:
застывания	-10	-35	-10	-35
предельной фильтруемости	-5	-25	-5	-25
Массовая доля серы, %, не более, в топливе:
вида 1	0,05	0,05	0,05	0,05
вида 2	0,10	0,10	0,10	0,10
Плотность при 20 °С, кг/м3, не более	860	860	860	860

Для дизельных топлив важными эксплуатационными свойствами являются низкотемпературные свойства, испаряемость, самовоспламеняемость (воспламеняемость), прокачиваемость. Воспламеняемость дизельных топлив оценивают цетановым числом (ЦЧ) по ГОСТ 3122-67. Значение ЦЧ для марок дизельных топлив по ГОСТ 305-82 регламентировано величиной не менее 45 единиц.

Самовоспламеняемость топлива в дизеле является важнейшей характеристикой, определяющей длительность процесса, складывающегося из этапа подготовки топлива к сгоранию после впрыска и этапа развития последующего сгорания в цилиндре. Образование горючей смеси сопровождается протеканием ряда физических и химических процессов [18, 58].

Физические процессы: распад струи топлива на капли при выходе из форсунки; проникновение капель вглубь заряда воздуха; нагрев капель от соприкосновения с горячим сжатым воздухом; испарение и смешивание паров топлива с воздухом.

Химические процессы: химическая подготовка топливовоздушной смеси к воспламенению; возникновение и развитие холоднопламенных реакций окисления; в ходе которых образуются промежуточные продукты со свободными радикалами.

На развитие перечисленных выше процессов затрачивается время, отсчитываемое от момента подачи топлива форсункой до момента самовоспламенения, отмечаемого по резкому повышению давления в цилиндре [18, 58]. Это время принято называть периодом задержки самовоспламенения (ПЗВ) или периодом индукции (φ_зад). Продолжительность этого периода зависит от температуры и давления сжатого в камере сгорания воздуха, величин относительных скоростей перемещения капель топлива и потоков воздуха, от размеров капель и ве­личин локальных концентраций кислорода, скорости движения поршня, состава топлива и других факторов [18, 58].

Обобщение экспериментальных данных

На рис. 9 приведены обобщенные развернутые индикаторные диаграммы, иллюстрирующие развитие процессов сгорания при удовлетворительном вос­пламенении (кривая 1) и при большой задержке воспламенения, когда сгорание начинается за ВМТ (кривая 2).

Рисунок 9 – Развитие процессов воспламенения и сгорания при хорошей (1) и плохой (2) воспламеняемости топлив в дизеле

НП – начало подачи (впрыска) топлива; НВС и НВС' - начало воспламенения;

Р_ехр – давление на линии расширения

Если говорить о влиянии свойств топлив, то решающую роль играет фракционный и химический групповой состав топлива. Ухудшение испаряемости топлива, обусловленное утяжелением входящих в него фракций, требуй увеличения времени на прогревание капель топлива до более высоких температур испарения, а это, в свою очередь, увеличивает продолжительность подготовки топлива к сгоранию, рост величины φ_зад.

Состав топлива, большее содержание какой-то из перечисленных углеводородных групп – определяются происхождением нефти, из которой это топливо получено и методом переработки исходного продукта.

Парафиновые соединения легче всего вступают в реакции окисления, и поэтому период индукции топлив, имеющих в своей основе парафины, при прочих равных условиях, оказывается наименьшим. Ароматические соединения, имеющие наиболее прочные связи между атомами углерода, проявляют наибольшую стойкость к окислению. По этой причине топлива с высоким содержанием асфальтосмолистых соединений, основу которых составляют ароматики (это, как правило, крекинг-топлива) имеют наибольшие значения (φ_зад) [18, 58].

Нафтеновые соединения по самовоспламеняемости занимают промежуточное положение, т.е. характерный для них период задержки самовоспламенения менее продолжителен, чем у топлив, содержащих значительные количества ароматиков, но он все же больше, чем у топлив парафинового ряда.

Показателем самовоспламеняемости дистиллятных топлив, оцениваемым по продолжительности периода индукции (задержки воспламенения), является цетановое число (по ГОСТ 3122-67). Дистиллятные топлива преимущественно парафинового ряда имеют ЦЧ в диапазоне 45-60 единиц, топлива с преимущественным содержанием ароматических составляющих – около 35. ЦЧ нафтеновых соединений колеблется между этими крайними значениями. Для крекинг-дистиллятов характерно очень высокое содержание ароматиков, и поэтому их ЦЧ малы – лежат в пределах 5-22 [58].

Величину ЦЧ определяют экспериментально на специальной одноцилиндровой установке с дизелем, имеющим переменную степень сжатия, в строго стандартных условиях. Однако сложность метода и невозможность оценки ЦЧ тяжелых топлив ограничивают его применение, что приводит к необходимости использования расчетных методом (по эмпирическим формулам, номограммам, таблицам, графикам и т.п.) [18, 19, 58].

В зарубежной практике в качестве показателя самовоспламеняемости чаще используют показатель «дизельный индекс» (ДИ), подсчитываемый по следующему выражению [4]:

(4)

Использованный здесь параметр APIgravity, плотность топлива по API, находят, руководствуясь понятием анилиновой точки (Aniline point), которая представляет собой минимальную температуру, при которой равные объемы анилина и пробы топлива взаимно растворяются [7, 58].

Метод основан на том, что ароматики растворяются в анилине лучше, чем нафтены и парафины. Для их растворения требуются более высокие температуры. Этот метод относительно прост, но его недостаток заключается в Ш, что на его базе, в отличие от метода определения ЦЧ, не представляется возможным непосредственно оценивать самовоспламеняемость топлива, с его помощью устанавливают лишь (с определенной точностью аппроксимации) присутствие в испытуемом топливе тех или иных групп углеводородов.

Заметим, что в литературе [18, 58] часто дизельный индекс называют еще цетановым индексом (ЦИ).

Дизельный индекс уступает по достоверности цетановому числу, обычно превышая его на 1-5 единиц. Однако, при решении практических задач такая ошибка вполне допустима. Для темных топлив, содержащих остаточные фракции, визуальное определение анилиновой точки затруднено, поэтому критерий ДИ используют, в основном, для оценки качества топлив типа Gas Oil и Marine Diesel Oil.

Фирмой «ШЕЛЛ» для оценки самовоспламеняемости тяжелых остаточных топлив был разработан расчетный углеродно-ароматический индекс (CCAI). За основу принимают наличие связи, существующей, с одной стороны, между присутствием в топливах ароматических и парафиновых углеводородов, с другой стороны, с их плотностью и вязкостью. Напомним, что рост плотности свидетельствует об увеличении доли ароматических составляющих, а увеличение вязкости – о росте доли парафиновых составляющих.

Метод основан на получении расчетной оценки CCAI с использованием уравнения [5]:

(5)

Используемые здесь величины плотности и р₁₅ и вязкости v₅₀ могут быть взяты из сертификата (паспорта) на топливо.

На основе многочисленных экспериментов было установлено, что для топлив с удовлетворительной воспламеняемостью численные значения CCAI находятся в пределах зоны, ограниченной сверху кривыми А и Б (рис. 10). Небезынтересно заметить, что хорошая воспламеняемость (малые значения параметра φ_зад) применительно к высокооборотным двигателям обеспечивается топливами с величинами CCAI меньше 840. Для среднеоборотных двигателей, у которых время, отводимое на процесс сгорания, не столь ограничено, можно допустить применение топлив, имеющих значения CCAI в пределах 850-870. Для малооборотных машин допустимы топлива с еще более высокими значениями критерия CCAI. Если же значения CCAI оказываются в зоне, расположенной выше кривой Б, то следует ожидать, что вероятен чрезмерно большой период задержки воспламенения, и что сгорание будет проходить на линии расширения, максимальное давление сгорания снизится, ухудшится экономичность, возрастут температуры выхлопных газов, двигатель будет перегреваться и дымить. Рекомендации рис. 10 следует рассматривать в качестве ориентировочных, т. к. реакция каждого двигателя на воспламеняемость топлива индивидуальна и зависит как от конструкции, так и от режимов, на которых он эксплуатируется [18, 58].

Рисунок 10 – Рекомендуемые зоны значений расчетного углеродно-ароматического

индекса CCAI топлив, используемых в мало-, средне- и высокооборотных

двигателях (а, б, в - соответственно)

Согласно данным [7, 18, 58] характер влияния ЦЧ на мощностные и экономические показатели не является однозначным и зависит от конструкции двигателя и типа смесеобразования, а при снижении ЦЧ ниже 40 при неизменном фракционном составе удельный расход топлива может увеличиваться. Так, по результатам испытаний многотопливного дизеля D-B ОМ 636 установлено, что с уменьшением ЦЧ удельный расход топлива увеличивается, а мощность падает, что осоенно проявляется при снижении частоты вращения коленчатого вала.

Установлено также [58], что утяжеление фракционного состава, как правило, ведет к увеличению удельного расхода топлива и дымности выхлопных газов. Так, в дизеле с непосредственным впрыскиванием удельный расход больше примерно на 4% при использовании утяжеленных сортов топлива. Известно также, что воспламеняемость углеводородов [58] уменьшается в последовательности: парафиновые, нафтеновые, ароматические. В связи с этим увеличение в топливе концентрации ароматических и нафтеновых углеводородов за счет парафиновых приводит к ухудшению его воспламеняемости. В топливе утяжеленного фракционного состава это является положительным фактором, т.к. приводит к увеличению времени, предусмотренного для испарения топлива, что и компенсирует его низкую испаряемость.

На рис. 11 приведены экспериментальные индикаторные диаграммы быстроходного транспортного дизеля на трех топливах с разными значениями ЦЧ [58]. Из диаграммы следует, что с уменьшением значения ЦЧ (при неизменных регулировках топливной аппаратуры – угла опережения впрыска топлива и давления затяга пружины форсунки) характер изменения давления в цилиндре существенно меняется: значение максимального давления сгорания p_z увеличивается, а процесс сгорания смещается на линию расширения за счет увеличения периода задержки воспламенения. Мощностные и экономические показатели дизеля при этом будут ухудшаться.

Выполненные нами расчетно-экспериментальные исследования и оценка воспламеняемости различных образцов топлив, в том числе на специальном одноцилиндровом дизеле ИТ9-3 [7] по определению значений ЦЧ этих образцов из Западно-Сибирских нефтей, перерабатываемых на Омском нефтезаводе, а также обобщение данных других авторов [18, 58], позволило предложить графическую зависимость ЦЧ = f(LIM), приведенную в [7]. Развернутый анализ сводки формул для расчета значения ЦИ различных топлив был ранее выполнен в нашей работе [6].

Рисунок 11 – Влияние ЦЧ топлива на характер индикаторной диаграммы быстроходного дизеля

1 – топливо (ЦЧ52); 2 – топливо (ЦЧ42); 3 – топливо (ЦЧ29); θ_i1, θ_i2, θ_i2 – соответствующие значения длительности ПЗВ

Проверочные расчеты значений ЦЧ по эмпирическим формулам [1, 2, 6, 7] позволили нам рекомендовать для определения значения ЦИ для среднедистил- лятных топлив формулу:

(6)

где р⁵ = + 5у – значение плотности топлива;

у – средняя температурная поправка плотности топлива на 1°С (ГОСТ 3900-85).

Преимуществом формулы (6) является то, что значения плотности (при поставке топлива на экспорт) и температуры выкипания 50% фракции, как правило, приводятся в сертификате (паспорте) на топливо.

Так, для образца дизельного топлива марки «Л» по ГОСТ 305-82 формула (6) дает значение ЦИ, равное 49 единиц. Тогда по графику работы [5] значение ЦЧ составит 45 единиц, что совпадает с точностью до ± 2 единиц по сравнению с опытом на установке ИТ9-3 [58].

Для топлива УФС значения ЦИ и ЦЧ составили соответственно 57 и 52 единиц.

Таким образом, знание величин ЦЧ (ЦИ) или CCAI топлива необходимо для того, чтобы, во-первых, была возможность определить, пригодно ли рассматриваемое топливо по показателю воспламеняемости для данного двигателя или нет, и, во-вторых, чтобы получить априорную информацию о том, как будет происходить сгорание нового топлива, и заранее принять необходимые меры.

Проблемы

1. Ухудшение самовоспламеняемости и сгорания топлива. Такое снижение качества топлива может быть связано с увеличением в его составе продуктов крекинг-процессов. При этом характерно высокое содержание асфальтосмоли- стых соединений и ароматиков.

2. Рост периода индукции и снижение скорости сгорания. Изменения такого рода влекут за собой перенос характеристик сгорания на линию расширения, снижение величины p_z (рис. 9), рост уровня тепловых нагрузок, снижение экономичности и мощности двигателя.

3. 

   Увеличение жесткости сгорания и рост ударных нагрузок. При сжигании дистиллятных крекинг-топлив, для которых характерно большое содержание ароматических составляющих и обладающих в связи с этим плохой воспламеняемостью, рост периода задержки воспламенения вызывает еще и увеличение жесткости сгорания, а также рост интенсивности ударных нагрузок на подшипники.

Рекомендации

1. Оценку самовоспламеняемости топлив рекомендуется осуществлять с использованием следующих показателей:

ЦЧ – только для дистиллятных топлив: для высокооборотных двигателей – не ниже 50-55 единиц, для среднеоборотных – не ниже 45, для малооборотных – не ниже 35.

CCAI – для тяжелых остаточных топлив, используемых в средне- и малооборотных двигателях: для среднеоборотных – не выше 870-890, для малооборотных – не выше 900-910.

2. Увеличению CCAI способствует рост плотности топлива, т. к. при это увеличивается количество тяжелых углеводородов (ароматиков и других тяжелых углеводородов). В то же время, увеличение вязкости снижает CCAI, что объясняется увеличением содержания в топливе парафиновых соединений, обладающих хорошей воспламеняемостью и сгоранием. Исходя из этого, следует избегать использования топлив, обладающих высокой плотностью, и не опасаться применения топлив, обладающих высокой вязкостью. Простота вычисления CCAI и нахождения определяющих его показателей выгодно отличают этот критерий от применяющихся показателей ЦЧ и ЦИ, хотя и носит преимущественно качественный характер.

3. Не рекомендуется использовать топлива с показателями самовоспламеняемости, не укладывающимися в рекомендуемые пределы. Если работа на таком топливе неизбежна, и температуры на выхлопе объективно увеличились, необходимо, во избежание тепловой перегрузки двигателя, снизить его рабочую нагрузку.

4. Высокооборотные дизельные двигатели особо чувствительны к ЦЧ дизельных топлив. Когда ЦЧ < 40, рекомендуется повышать значение этого пара­метра путем введения присадок (до 2%), активизирующих реакции окисления углеводородов топлива. Обычно применяют: металлоорганические присадки на базе магния – Амероид Марк-2, Амергайз, D II-3 Ethyl Corp., присадки FOT-D марок I, II и III фирмы «Амероид» (США) и др., а также отечественные присадки: марки СП-2, присадки на основе изопропил- или циклогексил-нитратов и др. Импортные присадки обычно представляют собой нефтепродукты с температурой вспышки 388-443К с характерным хлористым запахом, не токсичны.

В заключение добавим, что в последнее время на рынке появляются новые методы и технологии определения свойств топлива для ДВС, в том числе и для оценки воспламеняемости дизельных топлив. Так, российская фирма «Экрос» предложила октанометр СВП 1.00.000 (с дополнительной программой опреде­ления ЦЧ дизельных топлив) по технологии Института химии нефти СО РАН (сертификат № 2865 от 10.06.97 г.). Здесь погрешности измерения величины ЦЧ не более 0,6 единиц, что примерно в три раза меньше погрешности, принятой стандартом, а время определения ЦЧ составляет 1-2 секунды. Результаты измерения выводятся на жидкокристаллический дисплей.