Автотракторные дизельные топлива

Эксплуатационные свойства дизельных топлив.
Требования к качеству
Лекция №3.1.

1. Основные сведения

Дизельные топлива и их свойства
Дизельные топлива - смеси углеводородов, используемые в качестве топлив для дизелей и газотурбинных установок. Получают при атмосферной или вакуумной перегонке нефти с последующей гидроочисткой и депарафинизацией.
В некоторые сорта дизельных топлив добавляют до 20% гидроочищенного газойля, получаемого каталитич. крекингом.
Топливом для быстроходных дизельных двигателей служат легкие керосино-газойлевые маловязкие фракции нефти, для тихоходных - тяжелые вязкие фракции .

Характеристики дизельных топлив

Процесс сгорания ДТ в двигателе
Дизельное топливо используют в двигателях с воспламенением от сжатия, называемых дизелями.
Воздух и топливо подаются в камеру сгорания раздельно.
Работа двигателя:
В ходе всасывания в цилиндр поступает свежий воздух;
При втором ходе сжатия – воздух сжимается до 3 … 4 МПа (30 … 40 кгс/см2). В результате сжатия температура воздуха достигает 500 … 700 °С.
В конце сжатия в цилиндр двигателя впрыскивается топливо, образуя рабочую смесь, которая нагревается до температуры самовоспламенения и воспламеняется.Впрыскиваемое топливо распыляется форсункой, которая помещается в камере сгорания или в форкамере. Средний диаметр капель топлива составляет примерно 10 … 15 мкм.
Выхлоп

Дизельные двигатели. Преимущества и недостатки
По сравнению с карбюраторными двигателями дизельные двигатели отличаются высокой экономичностью, так как работают с более высокими степенями сжатия (12 … 20 вместо 4 … 10) и коэффициентом избытка воздуха α =1,4 ... 1,5. Вследствие этого удельный расход топлива у них на 25 … 30 % ниже, чем у карбюраторных двигателей.
Дизельные двигатели более надежны в эксплуатации и более долговечны, они обладают лучшей приемистостью, т.е. легче набирают обороты и преодолевают перегрузки.
В то же время, дизели отличаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами и меньшей мощностью на единицу веса.
Но, исходя из более экономичной и надежной работы, дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.

Требования к качеству
Для обеспечения долговечной и экономичной работы дизельного двигателя дизельное топливо должно отвечать следующим требованиям:
иметь хорошее смесеобразование и воспламеняемость;
обладать соответствующей вязкостью;
иметь хорошую прокачиваемость при различных температурах окружающего воздуха;
не содержать сернистых соединений, водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей и воды.

Воспламеняемость
Свойство дизельного топлива, характеризующее мягкую или жесткую работу дизеля, оценивают по его самовоспламеняемости. Оценочным показателем служит цетановое число топлива.
Цетановое число характеризует способность топлива к воспламенению в камере сгорания и равно объёмному содержанию цетана в смеси с α-метилнафталином, которое в стандартных условиях имеет одинаковую воспламеняемость по сравнению с исследованным топливом.
Температура вспышки, определённая по ASTM D93, для дизельного топлива должна быть не выше 70 °C.
Температура перегонки, определённая по ASTM D86, для дизельного топлива не должна быть ниже 200 и выше 350 °C.
Топливо, поступающее в цилиндры дизеля, воспламеняется не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, который называется периодом задержки самовоспламенения. Чем он меньше, тем за меньший промежуток времени топливо сгорает в цилиндрах дизеля. При большом периоде задержки самовоспламенения топливо сгорает за короткий промежуток времени, давление газов нарастает почти мгновенно, поэтому дизель работает жестко (со стуком).
Чем выше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения дизельного топлива, тем мягче работает двигатель.

Методы определения цетанового числа
Самовоспламеняемость дизельного топлива оценивается обычно путем сравнения ее с самовоспламеняемостью эталонных топлив. В качестве эталонных топлив используется нормальный парафиновый углеводород цетан (С16Н34), имеющий малый период задержки самовоспламенения (самовоспламеняемость цетана условно принята за 100) и ароматический углеводород α-метилнафталин С10Н7СН3, который имеет большой период задержки самовоспламенения (самовоспламеняемость его условно принята за 0).
Цетановое число топлива численно равно процентному содержанию цетана в его смеси с α-метилнафталином, которая по характеру сгорания (по самовоспламеняемости) равноценна испытуемому топливу.
Используя эталонные топлива, можно получать смеси с любыми цетановыми числами от 0 до 100.
Цетановое число можно определить тремя способами: по совпадению вспышек, по запаздыванию самовоспламенения и по критической степени сжатия.

Метод "совпадения вспышек"
Цетановое число дизельных топлив обычно определяют по методу "совпадения вспышек" на установках ИТ9-3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69 (ГОСТ 3122–67). Это одноцилиндровые четырехтактные двигатели, оборудованные для работы с воспламенением от сжатия.
Двигатели имеют переменную степень сжатия ε = 7 … 23. Угол опережения впрыска топлива устанавливается равным 13° до верхней мертвой точки (В.М.Т). Изменением степени сжатия добиваются, чтобы воспламенение происходило строго в В.М.Т.
При определении цетанового числа дизельных топлив частота вращения вала одноцилиндрового двигателя должна быть строго постоянной (п = 900 ±10 об/мин).
После этого подбирают два образца эталонных топлив, один из которых дает совпадение вспышек (т.е. задержку самовоспламенения, равную 13°) при меньшей степени сжатия, а второй – при более высокой степени сжатия.
Путем интерполяции находят смесь цетана с α – метилнафталином, эквивалентную испытываемому топливу, и таким образом устанавливается его цетановое число.

Влияние цетанового числа на работу двигателя
Цетановое число топлив зависит от их улеводородного состава. Наиболее высокими цетанововыми числами обладают парафиновые углеводороды нормального строения. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов.
Оптимальным цетановым числом дизельных топлив является 40 – 50. Применение топлив с ЦЧ < 40 приводит к жесткой работе двигателя, а ЦЧ > 50 – к увеличению удельного расхода топлива за счет уменьшения полноты сгорания.
Летом можно успешно применять топлива с ЦЧ равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя требуется ЦЧ > 45.

Влияние цетанового числа на работу двигателя
Цетановое число топлив зависит от их улеводородного состава. Наиболее высокими цетанововыми числами обладают парафиновые углеводороды нормального строения. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов.
Оптимальным цетановым числом дизельных топлив является 40 – 50. Применение топлив с ЦЧ < 40 приводит к жесткой работе двигателя, а ЦЧ > 50 – к увеличению удельного расхода топлива за счет уменьшения полноты сгорания.
Летом можно успешно применять топлива с ЦЧ равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя требуется ЦЧ > 45.
Для повышения цетанового числа дизельного топлива к нему добавляют специальные высокоцетановые присадки: синтин (продукт синтеза окиси углерода и водорода), перекиси углеводородов, нитросоединения. Однако они широкого распространения не получили из-за невысокой стабильности при хранении, и большой взрывоопастности.

Конструктивные факторы, влияющие на процесс горения
Положительно влияет повышение степени сжатия ε , а следовательно, температуры и давления воздуха, при этом улучшается процесс сгорания, двигатель работает более мягко.
Конструкция камеры сгорания должна обеспечивать интенсивное вихреобразование при сжатии воздуха, что уменьшает время нагрева топлива.
В качестве материала для поршней лучше использовать не алюминий, а чугун, так как он обладает меньшей теплопроводностью.
Увеличение угла опережения впрыска топлива отрицательно сказывается на самовоспламенении, ибо топливо впрыскивается в менее сжатую и нагретую среду и работа двигателя становится более жесткой, а также из-за преждевременного сгорания большей части топлива значительное давление развивается до прихода поршня в ВМТ, что вызывает потерю мощности.

Эксплуатационные факторы, влияющие на процесс горения
Низкотемпературные свойства характеризуются такими показателями, как температура застывания tзаст и помутнения tп, предельная температура фильтрации t пр.ф.
Температура застывания характеризует потерю текучести (подвижности) топлива с понижением температуры из-за увеличения вязкости и выделения кристаллов парафинов. При достижении tзаст невозможна подача топлива в цилиндры двигателя.
Температура помутнения – это температура, при охлаждении, до которой топливо начинает мутнеть вследствие образования микрокристаллов парафинов. Надежная подача топлива обеспечивается при температуре окружающей среды на 3 … 5 °С выше его температуры помутнения.
Наинизшая температура, при которой еще возможно протекание топлива через топливный фильтр тонкой очистки, называется предельной температурой фильтрации.
Вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле. Низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распыливание топлива, что улучшает сгорание. С повышением плотности и вязкости увеличивается диаметр капель, ухудшается полное их сгорание, увеличивается удельный расход топлива, растет дымность продуктов сгорания. Слишком низкая вязкость топлива ведет к повышенному износу плунжерных пар форсунок, слишком высокая же вязкость ухудшает фильтрацию топлива и затрудняет работу топливных насосов.

Влияние качества топлива на процесс горения
Оценивают качество дизельного топлива по фракционному составу, который определяют так же как и бензина, и еще по температуре вспышки.
Степень чистоты дизельных топлив. Чистоту топлива оценивают коэффициентом фильтруемости.
Температура вспышки характеризует пожарную опасность топлива при его транспортировке и хранении. Низкая температура вспышки указывает на наличие легких компонентов, присутствие которых может быть опасно также и при работе двигателей. Поднять температуру вспышки дизельного топлива можно, повысив температуру начала кипения, а, следовательно, снизив отбор топлива от нефти.
Содержание серы, водорастворимых кислот, щелочей, непредельных углеводородов. Все эти соединения вредно отражаются на долговечности дизелей, приводят к повышенной коррозии и износу, нагарообразованию.

Марки дизельного топлива.
На сегодняшний день согласно техническим условиям выпускается дизельное топливо трех марок, взамен восьми выпускаемых ранее. В зависимости от условий применения утверждены следующие марки дизельного топлива:
Л – летнее предназначенное для применения от 0 °С и выше,
З – зимнее применяемое от –20 °С до 0 °С,
А – арктическое применяемое от –50 °С до –20 °С.
Принято следующее условное обозначение дизельного топлива.
Например: Л-0,2-40 – здесь Л – летнее, 0,2 – содержание серы 0,2 %, 40 – температура вспышки °С;
З-0,2-35 – здесь З – зимнее, 0,2 – содержание серы 0,2 %, 35 – температура застывания –35 °С;
у арктического топлива отражается только содержание серы А-0,4 – А – арктическое, 0,4 – содержание серы в %.

Механические примеси и коррозионные свойства дизельных топлив.
Лекция №3.2.

Механические примеси и вода

Механические примеси
Надежность подачи топлива является необходимым предварительным условием правильного смесеобразования и сгорания. Топливо должно быть чистым.
Механические примеси даже в небольшом количестве забивают фильтрующие элементы и, самое главное, вызывают износ плунжерных пар, корпуса и иглы распылителя форсунок, изготовленных с высокой точностью. Износ прецизионных деталей приводит к снижению давления и цикловой массовой подачи топлива, уменьшению давления впрыскивания, подтеканию топлива из-под иглы распылителя форсунок, что практически полностью нарушает работу дизеля.
Содержание механических примесей в дизельном топливе не допускается, и их определяют по ГОСТ 6370-59.

Вода
Воду, которая находится в дизтопливе, можно разделить на два вида – свободную и эмульгированную. Свободная вода попадает туда двумя путями: с топливом во время заправки и в виде конденсата, образующегося при перепаде температур. Считается, что капли размером более 260 мкм сразу опускаются на дно, капли размером 180…260 мкм оседают через достаточно непродолжительный промежуток времени, а капли диаметром 5…180 мкм, собственно, и представляют собой эмульгированную воду, которая может находиться в топливе во взвешенном состоянии очень долго.

Влияние воды
Присутствие воды в дизельном топливе вызывает перебои и даже остановку двигателя. Происходит это из-за нарушения подачи топлива в связи с выпадением кристаллов льда при низких температурах и закупоркой ими пор топливных фильтров и уменьшения проходимых отверстий в топливопроводах.
Кроме того, вода увеличивает коррозирующее действие дизельного топлива, особенно сернистого.
О возможном наличии воды в топливе можно судить по его прозрачности. Если в нем есть вода и хотя бы в ничтожном количестве иные примеси, то оно будет мутным и непригодным для применения.
Необходимо полностью удалить воду и механические примеси. Для этого дизельное топливо отстаивается в течение 72...96 ч, перед заправкой его необходимо профильтровать.

Степень чистоты дизельных топлив
Чистоту топлива можно определить путем фильтрации через бумажный фильтр. Чем меньше и светлее пятно на фильтровальной бумаге, тем чище и качественнее дизельное топливо.
Чистоту топлива оценивают коэффициентом фильтруемости.

Коэффициент фильтруемости.
Углеводородный состав дизельного топлива оказывает существенное влияние не только на процесс его сгорания, но и на фильтруемость. Наличие в топливе нафтеновых кислот снижает фильтруемость, так как в этом случае забиваются не только фильтры тонкой очистки, но и образуются иногда осадки в фильтрах грубой очистки.
Особенно ухудшается фильтруемость дизельных топлив, содержащих органические кислоты и смолистые соединения, при наличии воды, которая приводит не только к образованию кристаллов льда зимой, но и студенистых рыхлых осадков.

Определение коэффициента фильтруемости
Определяют коэффициент фильтруемости на специальном приборе.
Через фильтр специального прибора пропускают последовательно под постоянным небольшим давлением 10 порций испытуемого топлива объемом по 2 мл каждая.
Подсчитывается коэффициент фильтруемости путем деления длительности фильтрации последней порции на длительность истечения первой.
Чем ближе коэффициент фильтруемости к единице, тем выше качество топлива. Согласно ГОСТу коэффициент фильтруемости дизельных топлив не должен превышать 2...3 единиц.

Коррозионные свойства дизельных топлив

Факторы, вызывающие коррозию
Основным фактором, обуславливающим коррозию, является содержание в топливе:
водорастворимых кислот и щелочей,
органических кислот,
воды;
сернистых соединений.

Водорастворимые кислоты и щелочи. Вода
Вода увеличивает коррозирующее действие дизельного топлива, особенно сернистого.
Водорастворимые кислоты и щелочи химически активны и вызывают значительную коррозию.
По требованию ГОСТ 305-82 в дизельном топливе содержание водорастворимых кислот, щелочей и воды не допускается.

Органические кислоты
Органические кислоты оказывают сла­бое коррозионное действие на детали цилиндропоршневой группы и материалы емкостей для хранения и перекачивания топлива.
Содержание их оценивают по показа­нию кислотности.
По стандарту кислотность дизельного топлива должна быть не более 5 мл КОН на 100 см3.

Сернистые соединения
Особенно сильное влияние на повышение коррозионных износов оказывают содержащиеся в топливе сернистые соединения.
В зоне высоких температур, где конденсация влаги ограничена или отсутствует, преобладает газовая коррозия от воздействия сернистых 8О3 или серных 8О3 ангидридов.
В области пониженных температур, где возможны конденсация влаги и образование сернистой и серной кислот, преобладает кислотная коррозия.

Активность действия сернистых соединений
Активность действия сернистых соединений в топливе проверяют испытанием на медной пластинке, согласно ГОСТ 6321-69:
Хорошо очищенную и отполированную медную пластинку помещают в пробирку с испытуемым топливом и нагревают в течение трех часов в водяной бане при температуре 50°С.
Затем пластинку промывают.
Если на ней остались черный, темно-коричневый или серый налеты, то это указывает на наличие в топливе сернистых соединений.
Наличие активных сернистых соединений в топливе, обуславливающих сильную коррозию деталей цилиндропоршневой группы и емкостей для хранения, не допускается.