Дизельные топлива для автомобилей
Дизельные
топлива для автомобилей
1. Характеристики испаряемости и
вязкостные свойства дизельных топлив
Вязкость
жидкости представляет собой внутреннее трение между слоями данной жидкости при
их взаимном перемещении под воздействием внешней силы. Основной закон вязкого
течения был установлен И. Ньютоном:
═
η∙( ?2- ?
)
∕ (Ζ2 ─
Ζ1)∙S,
где F - тангенциальная (касательная) сила,
вызывающая сдвиг слоев жидкости относительно друг друга; S - площадь
слоя, по которому происходит сдвиг; (v2 - v1)/(z2-
z1) или dv ∕ dz- градиент скорости течения
(быстрота изменения её от слоя к слою), иначе - скорость сдвига (см. рис. 1).
Коэффициент пропорциональности η
называется коэффициентом внутреннего трения или динамической вязкостью.
Он количественно характеризует сопротивление жидкости смещению её слоев.
Величина, обратная вязкости называется текучестью.
Рисунок 1 - Схема вязкого течения жидкости кинематической
вязкостьюν: ν
t ═
ηt∕
ρt
Единицей измерения кинематической вязкости в
системе СИ являетсям2/с, однако на практике чаще используют
единицу измерения мм2/с или сСт (сантистокс).
Кинематическая вязкость изменяется с изменением температуры (см. рис. 2),
поэтому стандартами она нормируется при 40оС (более старыми стандартами
при 20оС. Понижение или повышение вязкости приводит к нарушению
работы топливоподающей аппаратуры, процессов смесеобразования и полноты
сгорания топлива. При понижении вязкости неизбежно увеличиваются подтекания и
просачивания во всех зазорах и неплотностях. Увеличивается расход топлива.
Подтекания через форсунку увеличивают нагарообразование и дымность выхлопа.
Маловязкое топливо проникает в зазор плунжерной пары ТНВД, что приводит к
уменьшению цикловой подачи и падению мощности. Ко всему прочему, дизтопливо
смазывает прецизионные пары топливного насоса. При снижении вязкости
смазывающие свойства ухудшаются, интенсифицируется износ плунжерных пар.
Использование топлива повышенной вязкости приводит к ухудшению
смесеобразования. На испарение вязкого топлива затрачивается большее время, оно
не может полностью сгореть, что вызывает повышенное нагарообразование и
дымление. Отработавшие газы становятся черными, более токсичными, повышается
расход топлива.
Рисунок 2 - Изменение вязкости топлива -
1-летнее; 2- зимнее; 3- арктическое
Фракционный состав дизельного
топлива. Наиболее важными точками фракционного состава
являются значения температуры выкипания 50 и 96% топлива. Температура выкипания
50% топлива или процент испарившегося топлива при 250 оСЕ 250
характеризуют рабочие фракции топлива, которые обеспечивают запуск,
прогрев, приемистость и устойчивость работы двигателя, а также плавность
перехода с одного режима на другой. Для обеспечения нормальной работы двигателя
температура выкипания 50% топлива должна лежать в пределах 250-280°С, а Е 250
максимум 65%.Полнота испарения топлива в двигателе характеризуется температурой
выкипания 96% топлива. При слишком высоких значениях этих температур
хвостовые фракции не успевают испаряться, они остаются в жидкой фазе в виде
капель и пленки, которые, стекая по стенкам цилиндра, приводят к повышенному
нагарообразованию, разжижению масла и форсированному износу. Температура
выкипания 96% для летних топлив обычно находится в пределах 340-360°С. В
современных стандартах используется такой показатель как процент
испарившегося топлива при 350°СЕ 350, который должен быть минимум 85%.
2. Характеристики
самовоспламеняемости дизельных топлив
Процесс самовоспламенения топлива в дизельном двигателе
проходит через несколько этапов: впрыск в камеру сгорания, распыл, испарение,
предпламенные реакции окисления углеводородов, самовоспламенение и горение
дизтоплива.
Самовоспламенение впрыснутого в камеру сгорания
дизтоплива инициируется под воздействием кислорода, высокой температуры сжатого
в цилиндре двигателя воздуха и теплоты, выделяемой не этапе предпламенных
реакций окисления углеводородов. Период от момента впрыска до момента
самовоспламенения топлива называется периодом задержки самовоспламенения,
который существенно влияет на процесс сгорания в целом. Если предпламенные
реакции идут медленно, то период задержки самовоспламенения увеличивается, а
его очаги возникают с опозданием. Топливо поступает в цилиндр, накапливается и
затем происходит воспламенение сразу значительного его количества. Резко
возрастает давление в цилиндре. Двигатель при этом начинает работать жестко,
мощность падает. Жесткость работы дизеля, вообще говоря, зависит от темпа
нарастания давления в цилиндре. Например, при темпе в 0,3-0,4 мПа на 1°
поворота коленчатого вала двигатель работает мягко. При 0,6-0,8мПа - жестко,
более 1,0 мПа - очень жестко. Чрезмерно жесткая работа означает и чрезмерные
нагрузки, опасные для кривошипно-шатунного механизма и поршневой группы. Нежелательна
и очень малая величина период задержки самовоспламенения, так как дизельное
топливо воспламеняется непосредственно у форсунки, вызывая ее оплавление. Кроме
того последующие порции топлива впрыскиваются в отработавшие газы
-увеличивается расход топлива, падает мощность двигателя, появляется дымный
выхлоп.
Период задержки самовоспламенения, а
соответственно самовоспламеняемость топлива оцениваются таким показателем как цетановое
число, которое представляет собой процентное содержание нормального
цетана СН3 - (СН2)14 - СН3(ЦЧ =
100 единиц) в смеси с ароматическим углеводородом с двумя бензольными кольцами
- альфаметилнафталином С11Н10 (ЦЧ =0 единиц),
которая по своей самовоспламеняемости равноценна испытуемому топливу. Имеется
соотношение между цетановым числом ЦЧ и октановым числом по исследовательскому
методу RON:
ЦЧ = (60 ± 5) - 0,5 RON.
Методы определения цетанового числа
Прямой (арбитражный) метод. Цетановое
число дизельных топлив обычно определяют по методу "совпадения
вспышек" на установках ИТ9-3, ИТ9-ЗМ или ИТД-69 (ГОСТ 3122). 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 сальфаметилнафталином, эквивалентную
испытываемому топливу, и таким образом устанавливается его цетановое число.
Косвенный метод.
Метод аналогичен определению октанового числа бензина путем сравнения
диэлектрической проницаемости испытуемого топлива с эталонными топливами.
Методы повышения цетанового числа
Самовоспламеняемость дизельных топлив может быть
повышена путем оптимизации химического состава и использования специальных
присадок -промоторов самовоспламенения на основе алкилнитратов R - O
-N -O2 или алкилпероксидов R - O -O - Ŕ́́.
Принцип
их действия основан на легком разложении молекул алкилнитратов и
алкил-пероксидов по связям O -O или O -N. Образующиеся свободные
радикалы R - O -инициируют самовоспламенение топлива. Использование
промоторов самовоспламенения ограничено, потому что они способствуют снижению
температуры вспышки и увеличению коксового числа топлива. Так же алкилнитраты
способствуют увеличению содержания окислов азота в отработавших газах.
Цетановое число дизельного топлива, определенное
до его смешения с промоторами самовоспламенения называется цетановым
индексом ЦИ. Цетановый индекс может быть определен графически (рис. 3) или
рассчитан по формулам:
Пусковые качества дизельного топлива при низких
температурах и косвенно его самовоспламеняемость характеризует такой показатель
как дизельный индекс ДИ:
ДИ = (1,8∙ А + 32)∙(1,415/
ρ15
- 1,315),
гдеρ15
- плотность топлива при 15оС, г/см3;
А -
анилиновая точка, оС.
Анилиновая точка это критическая температура
растворения топлива в анилине в пропорции 1:1 - при более высоких температурах
образуется гомогенный раствор.
Соотношение между дизельным индексом и цетановым
числом:
ЦЧ = 12,9 + 0,66 ∙ ДИ
или представленное в таблице
ДИ
|
20
|
30
|
40
|
50
|
62
|
70
|
80
|
ЦЧ
|
30
|
35
|
40
|
45
|
55
|
60
|
80
|
Рисунок3 - Номограмма для определения ЦИ
3. Низкотемпературные свойства
дизельных топлив
Низкотемпературные свойства характеризуются
такими показателями, как температура застывания tз, температура помутнения
tп и предельная температура фильтрации tпф. Температура застывания
характеризует потерю текучести (подвижности) топлива с понижением температуры
из-за увеличения вязкости и выделения кристаллов парафинов. При достижении tз
невозможна подача топлива в цилиндры двигателя. Температурой застывания
является температуря при которой поверхность А (рис.4) топлива в пробирке,
наклоненной под углом 45о не изменяется в течение одной минуты.
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. Низшая температура, при которой еще возможно
протекание топлива через стандартный топливный фильтр тонкой очистки,
называется предельной температурой фильтрации.
Рисунок 4 - Застывание дизельного топлива
Температура помутнения топлива зависит и от
содержания в нем воды. Кристаллы льда и микрокристаллы парафина, образующиеся
при отрицательных температурах, задерживаются фильтром тонкой очистки. Фильтры
и калибровочные отверстия форсунки забиваются, нарушается или полностью
прекращается подача топлива.
Методы понижения температуры
застывания, помутнения и предельной температуры фильтрации
∙ уменьшение
конечной температуры кипения топлива с 360оСдо 320оС,
однако при этом уменьшается и выход конечного продукта при производстве
топлива;
∙ депарафинизация
дизтоплива, однако при этом уменьшается его цетановое число;
∙ использование
депрессорных присадок, молекулы которых оседают на образующихся микрокристаллах
парафина и не позволяют им сращиваться в большие агломераты;
∙ добавление
в дизельное топливо керосина или бензина, однако при этом уменьшается его
цетановое число и ухудшаются смазочные свойства, что лимитирует содержание
керосина или бензина в дизтопливе10 - 15%;
∙ нагревание
фильтра тонкой очистки или топлива в топливном баке (рисунок 5)
4. Антинагарные и противопожарные
характеристики дизельных топлив
Нагарообразование в скоростных дизельных
двигателях ведет к перегреву двигателя, закоксовыванию форсунок, ухудшению
распыливания топлива. Показатели качества дизельного топлива, влияющие на
нагарообразование и нормируемые ГОСТами, следующие: окислительная стабильность,
содержание смол, йодное число, коксовое число, золы, механических примесей и
соединений серы.
Рисунок 5 - Нагреватели топлива
Антинагарные характеристики
Окислительная стабильность, г/м3характеризует
количество смол, образующихся в результате воздействия кислорода при
температуре 95оС.
Содержание фактических смол, мг/100
мл. В
сравнении с бензинами количество смол в дизельных топливах значительно меньше
Йодное число представляет
собой количество грамм йода, которое входит в реакцию с непредельными
углеводородами, находящимися в 100 мл топлива. В результате окисления и
полимеризации непредельных углеводородов образуются органические кислоты и
смолы.
Коксовое число представляет
собой процент кокса, образующегося в результате разложения топлива без доступа
воздуха при температуре 800 - 900оС. Для испытания используется
10%-ный остаток после разгонки топлива.
Содержание золы представляет
собой процент золы, образующейся в результате сжигания пробы топлива в открытом
тигле.
Противопожарные характеристики
Температура вспышки в закрытом тигле
- это самая низкая температура горючего вещества, при которой над его
поверхностью образуется смесь паров и газов с воздухом, способная вспыхивать от
источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для
последующего горения. Температура вспышки определяет условия безопасности
применения топлива. В соответствии с ЕН 590 температура вспышки дизтоплив для
условий Молдовы минимум 55оС.
5. Противокоррозионные и
противоизносные характеристики дизельных топлив
дизельный топливо цетановый
антинагарный
Коррозионные свойства дизельных топлив связаны с
присутствием в нем минеральных (водорастворимых) и органических кислот,
щелочей, сернистых соединений и воды. Присутствие активных сернистых соединений
в топливе определяется пробой (коррозией) на медной пластинке, а
присутствие органических кислот - таким показателем как нейтрализующая
способность (кислотность) топлива, которые рассмотрены во втором разделе.
Массовая доля серы -
количество серы, присутствующее в топливе. Имеет двойственную характеристику: с
одной стороны, повышенное содержание серы в топливе отрицательным образом
сказывается на чистоте выхлопных газов. Но что ещё немало важно, приводит к
образованию серных и сернистых кислот в системе смазки, которые в свою очередь
влияют на коррозию деталей системы смазки двигателя - преждевременный износ
двигателя обеспечен. Для компенсации такого отрицательного эффекта приходиться
использовать щелочные присадки. С другой стороны, снижение количества
содержания серы приводит к ухудшению смазывающих свойств топлива, а это
укорачивает ресурс ТНВД и топливных форсунок. В этом случае приходиться вводить
специальные, противоизносные присадки.
Механические примеси
в топливе стандартом не предусмотрены (не допускаются). Топливо загрязняется
при несоблюдении правил перевозки, хранения и заправки. Прецизионные пары
топливных насосов имеют зазоры 1,5-3,0 мкм, поэтому даже небольшой процент
механических примесей приводит к значительному абразивному износу.
В топливе в большей или меньшей степени
постоянно присутствует в растворенном состоянии вода. Ее концентрация
зависит от температуры окружающей среды. Особенно неприятно наличие
эмульсионной воды при низких температурах. В этом случае кристаллами льда
забивается система очистки и нарушается работа двигателя. Отрицательно действует
вода на топливную аппаратуру, особенно на насос высокого давления и форсунки.
Она способствует появлению коррозии поверхностей прецизионных пар и
закоксовыванию распылителей форсунок. Однако при высоких температурах вода
способствует удалению нагара (углерода) из камеры сгорания:
С + Н2О = СО + Н2.
Общее загрязнение, мг/кг характеризует
загрязнение топлива нерастворимыми соединениями органического и неорганического
характера. В соответствии с ЕН 12662 порция топлива в количестве 250 - 500
грамм пропускается через мембранный фильтр под давлением 2 - 5 кПа и
рассчитывается общее загрязнение С:
С = (М - м)∙1000/мт,
где М - масса фильтра с загрязнениями, мг;
м - масса чистого фильтра, мг; мт - масса пробы
топлива, г
Чистоту топлива оценивают также коэффициентом
фильтруемости, который представляет собой отношение времени фильтрования
через фильтр из бумаги БФДТ при атмосферном давлении десятой порции
фильтруемого топлива к первой. На фильтруемость топлива влияет наличие воды,
механических примесей, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот. Коэффициент
фильтруемости дизельных топлив находится в пределах 1,5-2,5.
Для оценки смазывающей способности
дизельных топлив используют комплекс тестов, включающий лабораторные, стендовые
и эксплуатационные испытания. В 1994 г. СЕС (Coordinating European Council) для
исследований был выбран метод HFRR, т.к. он является быстрым и точным способом
оценки смазывающих свойств дизельных топлив. Суть метода заключается в
измерении диаметра пятна износа, образующегося при трении качения пары
шарик-пластина под действием приложенной нагрузки (200 грамм) при температуре
60оС. При испытании осуществляется возвратно-поступательное движение
шарика с фиксированной частотой и длиной хода, при этом поверхность раздела
трущейся пары шарик-пластина полностью погружена в емкость с топливом. Диаметр
пятна износа, образовавшегося на испытательном шарике и измеренного под
микроскопом, является показателем смазывающих свойств топлива. Метод испытания
HFRR введен в европейский стандарт на дизельное топливо EN 590, и по нему
установлена норма: диаметр пятна износа не более 460 мкм.
. Экологические требования ЕВРО к
дизельным топливам
Наименование
характеристик дизельного топлива
|
Значение
характеристик дизельного топлива
|
|
ЕВРО
2 1996
|
ЕВРО
3 2000
|
ЕВРО
4 2005
|
ЕВРО
5 2009
|
Цетановое
число, минимум Цетановый индекс, минимум Содержание серы, мах: % мг/кг (ррм)
Содержание полиароматических углеводородов, %, мах
|
46
0,050 500
|
51
46 0,035 350 11
|
51
46 0,005 50 11
|
51
46 0,001 10 11
|
Влияние указанных в таблице характеристик на
работу двигателя и загрязнение окружающей среды рассмотрено выше в
соответствующих разделах и подразделах.
7. Маркировка и ассортимент
современных дизельных топлив
Европейский стандарт ЕН 590предусматривает
следующие классы автомобильных дизельных топлив для умеренного климата в
зависимости от значения предельной температуры фильтруемости CFPP:
Предельная
температура фильтруемости, оС
|
Плюс
5
|
0
|
Минус
5
|
Минус
10
|
Минус
15
|
Минус
20
|
Класс
дизельного топлива
|
A
|
B
|
C
|
D
|
E
|
F
|
Государственный стандарт России ГОСТ Р 52368
- 2005 предусматривает выпуск дизельных топлив в соответствии с
требованиями ЕН 590ЕВРО 4
В зависимости от условий применения по ГОСТ
305-82 вырабатываются следующие марки топлива: Л- летнее, З -
зимнее и А - арктическое.
В зависимости от содержания серы
промышленность вырабатывает два вида дизельного топлива:
) содержание серы до 0,2% - маркиА-0,2;Л-0,2-62;З-0,2-
минус 45;
) Содержание серы от 0,2% до 0,5% - маркиЛ-0,5-50;З-0,5-минус
35;А-0,4.В маркировке летних дизельных топлив (Л) последними цифрами
указывается температура вспышки в закрытом тигле, а в зимних (З) - температура
застывания.
С целью улучшения экологической обстановки,
начиная с 1991 года в России было организованно производство экологически
чистого летнего дизельного топлива ДЛЭЧ и арктического ДАЭЧ. Это
топливо бывает двух видов:
) с содержанием серы 0,05%;
) с содержанием серы 0,1%
Для эксплуатации дизельных двигателей в условиях
умеренного климата выпускается зимнее дизельное топливо с присадкой ДЗП.
Для получения этого топлива в летнее дизельное топливо добавляют изопропилнитрат.
На рынке Республики Молдова представлены
дизельные топлива Румынии, например компании PETROM: motorina
EN
590/350 ppm; motorina
0,2% sulf; EN
590/10 ppm; EURO
DIESEL
5 и др. (350ррм и 10 ррм означает содержание в топливе серы в количестве 350 и
10 мг/кг соответственно).