Дизельное топливо - свойства, нормы, методы повышения экологичности

1.     Свойства дизельных топлив для  наземной техники

     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, вследствие чего удельный расход топлива в них 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 цилиндропоршневой группы двигателя;

 

• температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива в дизелях;

 

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

 

1.1 Самовоспламеняемость (цетановое число) 

       Цетановое число — основной  показатель воспламеняемости дизельного  топлива. Оно определяет запуск  двигателя, жесткость рабочего  процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность  отработавших газов. Чем выше  цетановое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жестко работает двигатель. Однако с повышением цетанового числа топлива сверх оптимального, обеспечивающего работу двигателя с допустимой жесткостью (менее 0,5 МПа/°ПВК), ухудшается его экономичность в среднем на 0,2—0,3 % и дымность отработавших газов на единицу цетанового числа повышается на 1—1,5 единицы Хартриджа.

     Чем выше цетановое число топлива, тем  быстрее произойдут процессы предварительного окисления его в камере сгорания, тем скорее воспламенится смесь и запустится двигатель.  
 

     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. 

     Нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизельное  топливо по ГОСТ 305–82 трех марок:

     Л − летнее, применяемое при температурах окружающего воздуха выше 0 °С;

     З −  зимнее, применяемое при температурах до -20 °С (в этом случае зимнее дизельное  топливо должно иметь температуру  застывания < -35 °С и п < -25 °С), или зимнее, применяемое при температурах до -30 °С, тогда топливо должно иметь температуру застывания < -45 °С и п <-35 °С);

     А − арктическое, температура применения, которого до -50 °С. Содержание серы в  дизельном топливе марок Л  и З не превышает 0,2 %  - для I вида топлива и 0,5  -  для II вида топлива, а марки А   -  0,4 %. 

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

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

     Метановое 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 -45 °С характеризуются цетановым числом около 40. 

     Хорошие низкотемпературные свойства достигаются  несколькими способами: существенным облегчением фракционного состава (температура конца кипения 300—320 °С вместо 360 °С), 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.

     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.

 
1.2 Испаряемость (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 1° 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 ипов неодинаково. Двигатели с предкамерным и вихрекамерньм 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—225 °С в 9 раз  меньше, чем на топливе со средней  температурой кипения, равной 285 °С.

     При испытаниях дизельного топлива утяжеленного фракционного состава с температурой конца кипения на 30 °С 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 260-280 °С (наиболее типичные значения 270—280 °С), для зимних марок дизельных топлив она составляет 240-260 °С.

1.3 Вязкость

     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 распиливание 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 регулировки 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 20 °С 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 40 °С, в то время как отечественные ГОСТ и ТУ регламентируют вязкость при 20 °С.

     Из  всех классов углеводородов наименьшая вязкость у алифатических. Эти же углеводороды в меньшей степени  изменяют свою вязкость при охлаждении, т.е. имеют наиболее пологую вязкостно-температурную  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 подчиняться  закону Ньютона (вязкость не зависит  от градиента сдвига) вплоть до выпадения  кристаллов твердых углеводородов.