Статьи

Дизельное топливо предназначено для быстроходных дизельных и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники. Условия смесеобразования и воспламенения топлива в дизелях отличаются от таковых в карбюраторных двигателях. Преимуществом первых является возможность осуществления высокой степени сжатия (до 18 в быстроходных дизелях), вследствие чего удельный расход топлива в них на 25-30% ниже, чем в карбюраторных двигателях. В то же время дизели отличаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами. По экономичности и надежности работы дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.

Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива:

цетановое число, определяющее высокие мощностные и экономические показатели работы двигателя;

фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших газов двигателя;

вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования;

низкотемпературные свойства, определяющие функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей среды и условия хранения топлива;

степень чистоты, характеризующая надежность работы фильтров грубой и тонкой очистки и цилиндро-поршневой группы двигателя;

температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива в дизелях;

наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износ.

Свойства:

Чем выше цетановое число топлива, тем быстрее произойдут процессы предварительного окисления его в камере сгорания, тем скорее воспламенится смесь  и запустится двигатель. Ниже приведены данные по влиянию цетанового числа на время запуска двигателя:

   Цетановое число.........................................53               38

     Время запуска, с..........................................3              45-50

Цетановое число топлив зависит от их углеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают нормальные парафиновые углеводороды, причем с повышением их молекулярной массы оно повышается, а по мере разветвления - снижается. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых цепей; ароматические углеводороды с боковыми цепями имеют более высокие цетановые числа и тем больше, чем длиннее боковая парафиновая цепь. Непредельные углеводороды характеризуются более низкими цетановыми числами, чем соответствующие им по строению парафиновые углеводороды. Нафтеновые углеводороды обладают невысокими цетановыми числами, но большими, чем ароматические углеводороды. Чем выше температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит почти линейный характер; лишь для отдельных фракций цетановое число может снижаться, что объясняется их углеводородным составом.

Цетановые числа дизельных топлив различных марок, вырабатываемых отечественной промышленностью, характеризуется следующими значениями:

 Марка дизельного топлива...................................Л               3(-35С)            3(-45С)          А

     Цетановое число...............................................47-51             45-49               40-42         38-40

Применение топлив с цетановым числом менее 40 приводит к жесткой работе двигателя, а более 50 - к увеличению удельного расхода топлива вследствие уменьшения полноты сгорания. Летом можно применять топлива с цетановым числом, равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя - с цетановым числом не менее 45. Цетановое число и низкотемпературные свойства топлива - это взаимосвязанные величины: чем лучше низкотемпературные свойства топлива, тем ниже его цетановое число. Так, топлива с температурой застывания ниже -45С характеризуются цетановым числом около 40.

Хорошие низкотемпературные свойства достигаются несколькими способами: существенным облегчением фракционного состава (температура конца кипения 300-320С вместо 360С), проведением депарафинизации топлива (извлечение н-парафиновых углеводородов), переработкой нафтено-ароматических нефтей с малым содержанием н-парафиновых углеводородов. При этом во всех случаях снижается цетановое число.

Известны присадки для повышения цетанового числа дизельных топлив - изопропил-или циклогексилнитраты. Они допущены к применению, но их вводят в крайне ограниченных количествах для повышения цетанового числа с 38 до 40, так как при этом понижается температура вспышки и повышается коксуемость топлива.

Установление оптимальных цетановых чисел имеет большое практическое значение, поскольку с углублением переработки нефти в состав дизельного топлива будут вовлекаться легкие газойли каталитического крекинга, коксования и фракции, обладающие относительно низкими цетановыми числами. Бензиновые фракции также имеют низкие цетановые числа, и добавление их в дизельное топливо всегда заметно снижает цетановое число последнего. Европейским стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел цетанового числа - 48 единиц.

Цетановое число определяют по ГОСТ 3122-67, сравнивая воспламеняемость испытуемого топлива с эталонным (смеси цетана с а-метил-нафталином в разных соотношениях).     

Определение цетанового индекса дизельных топлив по ГОСТ 27768-88 внесено в ряд нормативных документов на дизельные топлва.  

Цетановый индекс дистиллятных дизельных топлив может быть определен по номограмме.  

За рубежом для характеристики воспламеняемости топлива наряду с цетановым числом используют дизельный индекс. Этот показатель нормируется в отечественной технической документации на дизельное топливо, поставляемое на экспорт, - ТУ 38.401-58-110-94.  

Между дизельным индексом и цетановым числом топлива существует такая зависимость:  

      Дизельный индекс.................................20            30          40       50       62       70       80  

      Цетановое число...................................30            35          40       45       55       60       80  

Фракционный состав. Характер процесса горения топлива в двигателе определяется двумя основными показателями - фракционным составом и цетановым числом. На сгорание топлива более легкого фракционного состава расходуется меньше воздуха, при этом благодаря уменьшению времени, необходимого для образования топливовоздушной смеси, процессы смесеобразования протекают более полно.  

Облегчение фракционного состава топлива, например при добавке к нему бензиновой фракции, может привести  к жесткой работе двигателя, определяемой скоростью нарастания давления на 1С поворота коленчатого вала. Это объясняется тем, что к моменту самовоспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров топлива, и горение сопровождается чрезмерным повышением давления и стуками в двигателе.  

Влияние фракционного состава топлива для двигателей различных типов неодинаково. Двигатели с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием вследствие наличия разогретых до высокой температуры стенок предкамеры и более благоприятных условий сгорания менее чувствительны к фракционному составу топлива, чем двигатели с непосредственным впрыском. Наддув двигателя, создающий повышенный термический режим камеры сгорания, обеспечивает возможность нормальной работы на топливах утяжеленного фракционного состава.   

Время прокручивания двигателя при запуске его на топливе со средней температурой кипения 200-225С в 9  раз меньше, чем на топливе со средней температурой кипения, равной 285С.  

При испытаниях дизельного топлива утяжеленного фракционного состава с температурой конца на 30С выше, чем у стандартного  летнего топлива, отмечен повышенный расход топлива в среднем на 3%  и увеличение дымности отработавших газов в среднем на 10%. Одной из основных причин повышения расхода топлива является более высокая вязкость топлива утяжеленного фракционного состава.  

Расход топлива зависит не только от температуры конца его кипения, но и от 50%-ной точки перегонки.  

Для летних дизельных топлив, полученных перегонкой нефти,  50%-ная точка выкипания находится в пределах 260-280С (наиболее типичные значения 270-280С), для зимних марок дизельных топлив она составляет 240-260С.  

Вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле, так как от них зависит форма и строение топливного факела, размеры образующихся капель, дальность проникновения капель топлива в камеру сгорания. Более низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распыливание топлива; с повышением указанных показателей качества увеличивается диаметр капель и уменьшается полное их сгорание, в результате увеличивается удельный расход топлива, растет дымность отработавших газов. Вязкость топлива влияет на наполнение насоса и на утечку топлива через зазоры плунжерных пар. С увеличением вязкости топлива возрастает сопротивление топливной системы, уменьшается наполнение насоса, что может привести к перебоям в его работе. Ниже приведена зависимость подачи топлива насосом от температуры топлива:   

Температура топлива, С............................+10               -30               -40                 -50  

 Подача насоса, кг/ч...................................850               830               810                300  

При уменьшении вязкости количество дизельного топлива, просачивающегося между плунжером и втулкой, возрастает, в результате снижается подача насоса. Перевод двигателя на топливо с меньшей плотностью и вязкостью может привести к прогару головок поршня, в связи с чем требуется регулировка топливной аппаратуры. При работе топливной аппаратуры на газоконденсатном дизельном топливе без регулировок и топливной аппаратуры происходит уменьшение цикловой подачи топлива до 1% и снижение максимального давления топлива в трубопроводе высокого давления на 10-15%. Период задержки впрыска увеличивается на 2-4 поворота коленчатого вала.  

Понижение цикловой подачи связано с уменьшением подачи топливного насоса высокого давления вследствие уменьшения плотности и увеличения утечки менее вязкого газоконденсатного топлива.  

Увеличение задержки впрыска топлива вызвано его большой сжимаемостью; чтобы получить цикловую подачу газоконденсатного топлива, достаточно увеличить ход рейки топливного насоса высокого давления.  

От вязкости зависит износ плунжерных пар. Нижний предел вязкости топлива, при котором обеспечивается его высокая смазывающая способность, зависит от конструктивных особенностей топливной аппаратуры и условий ее эксплуатации. Вязкость топлива в пределах 1,8-7,0 мм2/с практически не влияет на износ плунжеров топливной аппаратуры современных быстроходных дизелей.  

Вязкость топлива зависит от его углеводородного состава. Летнее дизельное топливо, получаемое из западносибирской нефти, в котором преобладают парафино-нафтеновые углеводороды, имеет вязкость при 20С 3,5-4,0 мм2/с; такое же по фракционному составу топливо из сахалинских нефтей, в котором преобладают нафтено-ароматические углеводороды, - 5,5-6,0 мм2/с. Стандартом на дизельное топливо вязкость нормируется в достаточно широких пределах, что обусловлено различием углеводородного состава перерабатываемых нефтей. Попытки ограничить вязкость топлива в узких пределах приведут к сокращению ресурсов его производства, так как потребуется снизить температуру конца кипения топлива. В зарубежных стандартах кинематическая вязкость нормируется обычно при 40С, в то время как отечественные ГОСТ и ТУ регламентируют вязкость при 20С.  

Из всех классов углеводородов наименьшая вязкость у алифатических. Эти же углеводороды в меньшей степени изменяют свою вязкость при охлаждении, т.е. имеют наиболее пологую вязкостнотемпературную кривую. Алифатические углеводороды разветвленного строения, имеющие в боковых цепях два-три атома углерода, обладают более высокой вязкостью и при охлаждении она изменяется более резко, чем у углеводородов нормального строения. Присутствие двойной связи снижает вязкость алифатического углеводорода. Ароматические и нафтеновые кольца в молекуле углеводорода повышают вязкость и ухудшают вязкостно-температурную зависимость. Бициклические углеводороды при одинаковой молекулярной массе с моноциклическими имеют не только более высокую вязкость, но и более крутую кривую зависимости вязкости от температуры. 

Хотя вязкость дизельных топлив при понижении температуры и повышается , поведение топлива, как правило, продолжает подчинятся закону Ньютона (вязкость не зависит от градиента сдвига) вплоть до выпадения кристаллов твердых углеводородов.  

На процессы испарения и смесеобразования оказывают влияние также поверхностное натяжение и давление  насыщенных паров, которые зависят от углеводородного и фракционного состава топлива. С утяжелением фракционного состава поверхностное натяжение  увеличивается. Межфазное поверхностное натяжение наиболее массового летнего дизельного топлива, определенное с помощью тензометра ВН 5504 (погрешность измерения  +  0,5 мН/м) при температуре 20С, составляет: образец 1 - 40,3 мН/м; образец 2 - 3,3 мН/м.  

При других температурах поверхностное натяжение может быть рассчитано по формуле:  

Q = Q0 - K(t - t0),  

где Q и Q0 - поверхностное натяжение, соответственно рассчитанное и найденное экспериментально; t и t0 - температуры, при которых поверхностное натяжение рассчитывается и определяется экспериментально; К - постоянная, равная 0,10.  

Давление насыщенных паров дизельных топлив невелико и составляет для стандартного летнего дизельного топлива примерно 25 кПа при 40С или 55 кПа при 60С.  

Цвет является показателем, позволяющим достаточно быстро определить наличие в топливе более тяжелых фракций или присутствие негидроочищенных дистиллятных фракций вторичных процессов, которые оказывают отрицательное влияние на стабильность нефтепродуктов. Цвет дизельного топлива определяют по ГОСТ 20284-74, ASTIM  D 1500, ISO 2049? DIN 51411. Существуют номограммы перевода цвета единиц ЦНТ в NPA.  

Плотность относят к числу наиболее распространенных показателей, которые применяют для характеристики нефтепродуктов, она являеся исходной величиной для выполнения большинства инженерных расчетов. В отечественных стандартах плотность нормируется при 20С: для летнего дизельного топлива - не более 860 кг/м3, зимнего - не более 840 кг/м3, арктического - не более 830 кг/м3.  

В зарубежных стандартах пределы плотности устанавливают в основном при 15С. Так, европейский стандарт EN-590 предусматривает следующие плотности: для летних топлив 820-860, для зимних топлив 800-840 (845)  кг/м3.  

Из различных групп углеводородов наибольшей плотностью обладают ароматические, наименьшей - парафиновые. Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение. Поэтому фракции с одинаковыми температурами начала и конца кипения, полученные из парафинистых нефтей, имеют меньшую плотность по сравнению с аналогичными фракциями из нефтей нафтенового основания или из нефтей, содержащих значительную часть ароматических углеводородов.  

Плотность отечественных дизельных топлив находится в довольно широких пределах, так как зависит не только от качества перерабатываемой нефти, но и от технологии получения топлива.  

Низкотемпературные свойства характеризуются такими показателями, как температура помутнения t, предельная температура фильтруемости t и температура застывания t, последняя определяет условия складского хранения топлива,  - tп и tпр.ф - условия применения топлива, хотя в практике известны случаи использования топлив при температурах, приближающихся к tзаст. Для большинства дизельных топив разница между tп и tзаст составляет 5-7С. В том случае, если дизельное топливо не содержит депрессорных присадок, tпр.ф равна или на 1-2С ниже  tп. Для топлив, содержащих депрессорные присадки, tпр.ф на 10С и более ниже tп.  

В дизельных топливах содержится довольно много углеводородов с высокой температурой плавления. Для всех классов углеводородов справедлива закономерность: с ростом молекулярной массы, а следовательно , и температура кипения повышается температура плавления углеводородов. Однако весьма сильное влияние на температуру плавления оказывает строение углеводорода. Углеводороды одинаковой молекулярной массы, но различного строения могут иметь значения температур плавления в широких пределах.  

Наиболее высокие температуры плавления имеют парфиновые углеводороды с длинной неразветвленной цепью углеводородных атомов. Ароматические и нафтеновые углеводороды плавятся при низких температурах (кроме бензола, п-ксилола), однако эти углеводороды, но с длинной неразветвленной боковой цепью, плавятся при более высоких температурах. по мере разветвления цепи парафинового углеводорода или боковой парафиновой цепи, присоединенной к ароматическим или нафтеновым кольцам, температура плавления углеводородов снижается.  

Исследования показали, что при охлаждении дизельных топлив в первую очередь выпадают парафиновые углеводороды нормального строения. При этом температура помутнения топлива не зависит от суммарного содержания в нем н-парафиновых углеводородов. Так, при практически одинаковом содержании н-парафиновых углеводородов температуры помутнения различных фракций заметно различаются:  

Суммарное содержание н-парафиновых углеводородов, %........27,4                27,5             27,1  

 Фракция, С  .......................................................................... 210-220          250-260        260-270  

Температура помутнения, С........................................................-51                  -30               -23  

На температуру помутнения влияет состав н-парафиновых углеводородов. Добавка даже небольшого количества высокоплавких н-парафиновых углеводородов приводит к резкому ее повышению:  

   Парафиновые углеводороды С20-С25, % (мас.доля)........................0            5              10  

Температура помутнения, С...........................................................-35          -20            -15