1.3.2. Дизельные топлива

По частоте вращения коленчатого вала различают быстроходные (с числом оборотов коленчатого вала более 1000 мин–1) и тихоходные дизели. Степень быстроходности в значительной мере определяет требования к качеству топлива. Значительная часть грузовых автомобилей и сельскохозяйственной техники в настоящее время оснащены быстроходными дизелями, а суда речного и морского флота, а также стационарные силовые установки – преимущественно тихоходными.

По сравнению с бензиновыми дизельные двигатели имеют следующие преимущества:

– на 30…35 % меньше расходуют более дешевое топливо;

– средняя температура рабочего цикла в дизеле ниже, что облегчает его охлаждение; – применение в дизелях более тяжелого по сравнению с бензином топлива обеспечивает пожарную безопасность, облегчает его транспортирование и хранение;

– допускают большие перегрузки и отличаются большей устойчивостью в работе;

– выхлопные газы менее токсичны;

– за счет значительно меньшего времени контакта топлива с воздухом (топливо в дизеле впрыскивается только к концу такта сжатия) полностью устраняется опасность возникновения детонационного сгорания;

– практически неограниченная возможность обеднения горючей смеси, что позволяет изменять мощность дизеля только путем регулирования подачи топлива при постоянном расходе воздуха;

– возможность использования топлив с различной испаряемостью: среднедистиллятных, утяжеленных, а при определенных условиях и легких, типа бензина и керосина.

К недостаткам дизелей следует отнести их большую удельную массу, меньшую быстроходность и большую затрудненность запуска в зимних условиях. К наиболее важным показателям качества топлив для быстроходных дизелей относятся: воспламеняемость, испаряемость, вязкость, коррозионная активность, низкотемпературные и экологические свойства.

Воспламеняемость характеризует способность дизельного топлива к самовоспламенению в среде разогретого от адиабатического сжатия в цилиндре двигателя воздуха. Было установлено, что конструктивные и эксплуатационные факторы, которые способствуют повышению температуры и давления воздуха, быстрому и интенсивному перемешиванию его с топливом в цилиндре двигателя, улучшают воспламеняемость и тем самым процесс сгорания топлива и делают работу дизеля мягкой и экономичной.

Положительное влияние на работу дизеля оказывают:

– повышение степени сжатия;

– увеличение числа оборотов коленчатого вала;

– применение для изготовления блока цилиндров материала с низкой теплопроводностью, например чугуна;

– применение топлив с оптимальной воспламеняемостью.

Работу дизеля ухудшают повышение влажности воздуха и низкие температуры окружающего воздуха. Определение воспламеняемости дизельных топлив производится на специальной установке со стандартным одноцилиндровым двигателем ИТ9-3 и заключается в сравнении испытуемого топлива с эталонными топливами. Мерой воспламеняемости дизельных топлив принято считать цетановое число (ЦЧ). В качестве эталонных топлив применяют цетан (н-гексадекан С16Н34), имеющий малый период задержки самовоспламенения (ПЗВ), и его воспламеняемость принята за 100 единиц ЦЧ, и -метилнафталин, имеющий большой ПЗВ, и его воспламеняемость принята за 0.

Цетановое число – показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный процентному содержанию цетана в смеси с -метилнафталином, которая по самовоспламеняемости в стандартном двигателе эквивалентна испытуемому топливу.

К дизельным топливам не предъявляются столь высокие требования по детонационной стойкости в сравнении с автобензинами. Товарные дизельные топлива должны иметь ЦЧ в определенных оптимальных пределах. Применение топлив с ЦЧ менее 40 приводит к жесткой работе дизеля и ухудшению пусковых свойств топлива. Повышение ЦЧ выше 50 также нецелесообразно, так как возрастает удельный расход топлива в результате уменьшения полноты сгорания.

Цетановое число дизельного топлива существенно зависит от его фракционного и химического состава. Алканы нормального строения и олефины имеют самые высокие ЦЧ, а ароматические углеводороды – наоборот, самые низкие ЦЧ. Цетановые числа высококипящих фракций нефти, как правило, выше ЦЧ низкокипящих. В ГОСТах многих стран мира, в т. ч. бывшего СССР, цетановые числа дизельных топлив нормируются в пределах 40…55. При необходимости повышения ЦЧ товарных дизельных топлив, на практике применяют специальные присадки, улучшающие воспламеняемость топлив, такие, как алкилнитраты (изопропил-, амил- или циклогексилнитраты и их смеси). Их добавляют к топливу не более 1 % мас., преимущественно к зимним и арктическим сортам, а также топливам низкоцетановым, получаемым, например, на базе газойлей каталитического крекинга. Кроме повышения ЦЧ (на 10…12 единиц), присадка позволяет улучшить пусковые характеристики при низкой температуре и уменьшить нагарообразование. Добавление 1,5…2 % мас. циклогексилнитрата, например, к этилированному автобензину позволяет использовать его как топливо для быстроходных дизелей.

Испаряемость дизельных топлив. Характер процесса сгорания дизельных топлив определяется кроме их воспламеняемости и полнотой испарения. Она зависит от температуры и турбулентности движения воздуха в цилиндре, качества распыливания и испаряемости топлива. С улучшением качества распыливания и повышением температуры нагрева воздуха скорость испарения впрыскиваемого топлива возрастает (однако степень распыливания не должна быть чрезмерно высокой, чтобы обеспечить необходимую дальнобойность струи). Время, которое отводится на испарение, в дизелях примерно в 10…15 раз меньше, чем в бензиновых двигателях, и составляет 0,6…2,0 мс. Тем не менее в дизелях используют более тяжелые топлива с худшей испаряемостью, поскольку испарение осуществляется при высокой температуре в конце такта сжатия воздуха.

Испаряемость дизельных топлив оценивается их фракционным составом. Если пусковые свойства автобензинов определялись tН.К. и t10% , то для дизельных топлив они оцениваются t50%. Чем ниже эта температура, тем легче запуск дизеля. Считается, что tН.К. дизельных топлив должна составить 180…200 °С, поскольку наличие бензиновых фракций ухудшает их воспламеняемость и тем самым пусковые свойства, а также повышает пожароопасность. Нормируемая температура t96% в пределах 330…360 °С свидетельствует о присутствии в топливе высококипящих фракций, которые могут ухудшить смесеобразование и увеличить дымность отработавших газов.

Вязкость дизельных топлив. Топливо в системе питания дизельного двигателя выполняет одновременно и роль смазочного материала. При недостаточной вязкости топлива повышается износ плунжерных пар насоса высокого давления и игл форсунок, а также растет утечка топлива между плунжером и гильзой насоса. Топливо слишком вязкое будет плохо прокачиваться по системе питания, недостаточно тонко распыливаться и неполностью сгорать. Поэтому ограничивают как нижний, так и верхний допустимые пределы кинематической вязкости при 20 °С (в пределах от 1,5 до 6,0 сСт.).

Низкотемпературные свойства. В отличие от бензинов в состав дизельных топлив входят высокомолекулярные парафиновые углеводороды нормального строения, имеющие довольно высокие температуры плавления. При понижении температуры эти углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов различной формы, и топливо мутнеет. Возникает опасность забивки топливных фильтров кристаллами парафинов. Принято считать, что температура помутнения характеризует нижний температурный предел возможного применения дизельных топлив. При дальнейшем охлаждении помутневшего топлива кристаллы парафинов сращиваются между собой, образуют пространственную решетку, и топливо теряет текучесть. Температура застывания – величина условная и используется для ориентировочного определения возможных условий применения топлива. Этот показатель принят для маркировки дизельных топлив на следующие 3 марки:

летнее (tзаст менее –10 °С), зимнее (tзаст менее –35…45 °С) и арктическое (tзаст менее –55 °С).

Применимы для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив следующие 3 способа:

1) адсорбционная (цеолитная) или карбамидная депарафинизация;

2) облегчение фракционного состава путем снижения температуры конца кипения топлива;

3) добавление к топливам депрессорных присадок, которые эффективно снижают их температуры застывания. В качестве депрессоров промышленное применение получили сополимеры этилена с винилацетатом. Поскольку они практически не влияют на температуру помутнения топлив, большинство исследователей считает, что депрессор, адсорбируясь на поверхности образующихся кристаллов парафинов, препятствует их агрегации с формированием объемного каркаса.

Коррозионная активность характеризует способность топлива вызывать коррозию деталей двигателя, топливной аппаратуры, топливопроводов, резервуаров и т. д. Она зависит, как и у бензинов, от содержания в топливе коррозионно-агрессивных кислородных и сероорганических соединений: нафтеновых кислот, серы, сероводорода и меркаптанов. Коррозионная активность дизельных топлив оценивается содержанием общей серы (менее 0,2 и 0,4…0,5 % мас. для I и II вида соответственно), меркаптановой серы (менее 0,01 % мас.), сероводорода (отсутствие), водорастворимых кислот и щелочей (отсутствие), а также кислотностью (менее 5 мг/КОН/460 мл) и испытанием на медной пластинке (выдерживает). Для борьбы с коррозионными износами деталей дизеля выпускают малосернистые топлива и добавляют к ним различные присадки (антикоррозионные, защитные, противоизносные и др.).

Экологические свойства. По сравнению с автобензинами, дизельные топлива характеризуются значительно меньшей пожароопасностью. Это достоинство является решающим при выборе типа двигателя для установки на том или ином виде техники. Например, из-за меньшей пожароопасности топлива дизели используют на судах речного и морского флота, комбайнах, подводных лодках, на танках, бронетранспортерах и т. д. Пожароопасность дизельных топлив оценивают по температуре вспышки в закрытом тигле. Для всех марок быстроходных дизельных 56 топлив она нормируется не ниже 30…35 °С. Для топлив, предназначенных к применению на кораблях, температура вспышки должна быть не ниже 61 °С, а в особо опасных условиях, например в подводных лодках, – не ниже 90 °С.

В зависимости от условий применения в соответствии с ГОСТ 305–82 установлены следующие марки топлив (табл. 1.8) для быстроходных дизелей:

Л – (летнее), З – (зимнее) А – (арктическое)

В стандарт введена следующая форма условного обозначения топлив: к марке Л добавляют цифры, соответствующие содержанию серы и температуре вспышки, например, Л-0,2-40; к марке З – содержание серы и температуры застывания, например, З-0,2 минус 35. В условное обозначение марки топлива А входит только содержание серы, например, А-0,4.

По техническим условиям выпускаются дизельные топлива: – экспортные ДЛЭ, ДЗЭ; – с депрессорными присадками ДЗП, ДАП; – экологически чистые и с улучшенными экологическими свойствами (с содержанием серы 0,01 и 0,005 %) ДЭК-Л, ДЭК-З, ДЛЭЧ, ДЗЭЧ и др. В западно-европейских странах и США начато производство экологичных дизельных топлив со сверхнизким содержанием серы (менее 0,05%).

Топлива для тихоходных дизелей. Дизели с небольшой частотой вращения коленчатого вала (менее 1000 об/мин) наиболее широко используют в стационарных установках, что позволяет предварительно провести подогрев, отстой и фильтрацию топлива, тем самым снижает требования к его эксплуатационным свойствам. Вязкость топлива для тихоходных дизелей значительно выше, чем для быстроходных, поэтому ее нормируют при 50 °С. Тихоходные дизели обычно работают в закрытых помещениях, поэтому топливо должно иметь более высокую температуру вспышки.

Для тихоходных дизелей выпускается 2 марки топлива: ДТ и ДМ (табл. 1.9).

Марка ДТ представляет собой смесь дистиллятных и остаточных продуктов. Его используют в среднеоборотных и малооборотных дизелях, не оборудованных средствами предварительной подготовки топлива.

Марка ДМ (мазут) рекомендуется для тихоходных судовых дизелей, установленных в помещениях, оборудованных системой подготовки топлива.