Автомобильные дизельные топлива

На образование отложений оказывают влияние следующие факторы:

1)  фракционный состав топлива;

2)  содержание в топливе сернистых соединений;

3)  содержание в топливе непредельных и ароматических углеводородов;

4)  содержание смолистых соединений и неорганических примесей.

Фракционный состав ДТ, характеризуемый преобладанием легких или тяжелых фракций, всегда ухудшает процесс горения.

Если в ДТ преобладают легкие фракции, то горение в цилиндрах сопровождается стуками, а двигатель работает жестко.

Если в ДТ преобладают тяжелые фракции, то появляется дымление и загрязнение двигателя, увеличивается расход топлива, повышается нагарообразование, закоксовывание форсунки, интенсивно изнашиваются детали, двигатель перегревается, мощность двигателя снижается, а пуск его затрудняется.

3.1  Коррозионные свойства дизельного топлива

Если в ДТ находятся:

·  Органические кислоты;

·  Водорастворимые кислоты;

·  Щелочи;

·  Сернистые соединения,

То такое топливо является коррозионным.

Минеральные кислоты обнаруживаю по реакции водной вытяжки, а активные сернистые соединения обнаруживают с помощью пробы на медную пластину.

При работе дизеля на сернистом топливе образуются прочные трудноудаляемые лаковые отложения и нагар, которые увеличивают износ цилиндропоршневой группы. Поэтому по количеству сер в ДТ судят о его коррозионной стойкости.

Наиболее агрессивной является активная сера (т.е. элементарная сера – S, сероводород- H2S и меркаптаны). Содержание меркаптановой серы не должно быть.

Проба на медную пластинку гарантирует наличие H2S (сероводорода) и свободной серы S в такой концентрации, которая исключает химическую коррозию металлов топливной системы.

При высокой температуре в камерах сгорания образуются оксиды серы (SO2 и SO4), которые в присутствии влаги способствуют полимеризации нестабильных компонентов масла. В результате образуются твердые отложения.

Когда двигатель охлаждается, появляется конденсат паров воды, который вступает в реакцию соединения с SO2 или SO3, (серный и сернистый ангидриды) и образует серную кислоту (H2SO4).

Если в ДТ содержится менее 0,2% серы, то она будет неактивной и осложнений в работе двигателя вызывать не будет. Поэтому ее применение будет без ограничений.

Большинство топлив производят из сернистых нефтей с содержанием серы до 0,5%.

Обычно дизельные топлива подразделяются по наличию серы на подгруппы:

·  Наличие серы не более 0,2%;

·  Наличие серы от 0,21 до 0,5% (для летних и зимних марок);

·  Наличие серы от 0,21 до 0,4% (для арктических марок).

Таким образом, по количеству серы судят о коррозионной стойкости ДТ.

Если в ДТ будут присутствовать водорастворимые минеральные кислоты и щелочи, то появится коррозионное воздействие на металлы. Поэтому присутствие минеральных кислот и щелочей в ДТ не допускается, а содержание ограничивается 5мг гидрооксида калия – КОН на 100мл топлива.

Эта концентрация гарантирует, что химическая коррозия металлов будет исключена. Если гидрооксида калия – КОН на 100мл топлива будет больше, то возможна коррозия.

Таким образом, наличие в ДТ кислых соединений характеризуется кислотностью, которая при повышении ускоряет износ коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.

Чтобы не допустить разрушающего действия кислот, их нейтрализуют, т.е. в дизельные масла добавляют противокоррозионные присадки. Например, нафтенатцинка (0,25…0,3%). Если двигатель будет работать на таком масле, то тогда можно использовать ДТ с содержанием серы не более 0,2%.

Следовательно, чтобы снизить коррозионные износ двигателя, необходимо, чтобы:

1)  время на пуск двигателя и прогрев его было бы сокращено;

2)  постоянно поддерживать его оптимальный тепловой режим.

3.2  Образование отложений в дизельном двигателе и их причины

При разгонке нефти с низким содержанием сернистых соединений, получают дизельные топлива с высокой химической стабильностью. Такие топлива долго сохраняют свои качества (более 5 лет хранения).

В нефти с содержанием большого количества серы (т.е. со значительным количеством олефинов – непредельных углеводородов и меркаптанов) химическая стабильность ДТ невысокая и оно быстро за короткий срок изменяет свое качество.

После применения такого топлива в дизельном двигателе появляется нагар и смолистые отложения. Причиной этого являются неполное испарение и плохое распыление ДТ внутри цилиндров из-за большой вязкости топлива с тяжелым фракционным составом. Кроме этого, наличие механических примесей в ДТ является причиной нагарообразования.

Следовательно, присутствие в топливе серы, фактических смол, золы (несгораемых примесей) и склонность такого топлива к нагарообразованию определяет динамику накопления нагара, которая характеризуется коксовым числом, т.е. способностью топлива образовывать углистый остаток при высокотемпературном (более 800…900˚С) разложении топлива без доступа воздуха.

Углистый остаток или минеральный остаток является золой, т.е. несгораемой примесью, повышающей нагарообразование. Кроме этого, зола попадая в моторное масло вызывает ускоренный износ деталей ДВС. Поэтому количество золы ограничивается нормой не более 0,01%. Таким образом, причиной образования углистого остатка являются следующие факторы:

1)  недостаточная глубина очистки топлива от смолисто-асфальтеновых соединений;

2)  повышенная вязкость дизельного топлива;

3)  тяжелый фракционный состав топлива.

Также склонность ДТ к нагару характеризуется содержанием в нем фактических смол, т.е. примесей, остающихся после очистки базовых дистилляторов. Фактические смолы вызывают осмоление топлива, из-за наличия в топливе непредельных углеводородов, о количестве которых судят по йодному числу.

Йодное число – это показатель непредельных углеводородов (олефинов) в дизельном топливе, численно равный количеству граммов йода, присоединившихся к непредельным углеводородам, которые содержатся в 100г топлива.

Обычно, непредельные углеводороды (олефины) вступают в реакцию соединения с йодом. То есть, чем больше в топливе непредельных углеводородов, тем больше йода вступает в реакцию. Нормальным считается такое количество непредельных углеводородов, которые вступают в реакцию с йодом не превышающим более 6г йода на 100г зимнего или летнего дизельного топлива.

Чем больше в дизельном топливе фактических смол, тем выше склонность его к нагарообразованию. Поэтому содержание фактических смол не должно превышать:

·  для зимних ДТ – 30мг на 100мл;

·  для летних ДТ – 60мг на 100мл.

Содержание фактических смол нормируется йодным числом.

Склонность ДТ к лакообразованию оценивается по содержанию лака в мг на 100мл топлива. Для этого топливо испаряют в специальном лакообразователе при температуре 250˚С.

Выводы:

1)  При работе дизельного двигателя на сернистом топливе образуются прочные трудноудаляемые нагар и лаковые отложения, что вызывает износ деталей двигателя, когда он работает на пониженной температуре.

2)  Коксуемость топлива также приводит к образованию нагара и лакообразованию, в результате чего может произойти заклинивание поршневых колец.

3)  Из-за наличия в топливе частиц меркаптовой серы при окислении топлива образуются смолы, которые в сочетании со смолами, образующимися из олефинов и еще фактическими смолами, которые есть в ДТ, на зоморных иглах форсунок осаждаются лаковые пленки, что со временем вызывает зависание игл внутри форсунок.

4)  Многофункциональные присадки и их влияние на свойства дизельных топлив.

Улучшение свойств ДТ достигается путем введения в их состав многофункциональных присадок, таких как:

·  Депрессорные;

·  Повышающие цетановое число;

·  Антиокислительные;

·  Моюще-дисперсирующие;

·  Снижающие дымность отработанных газов и др.

Антидымные присадки марок МСТ-15, АДП-2056, ЭФАП-6 в концентрации 0,2…0,3 позволяют снизить дымность отработавших газов на 40…50% и уменьшить содержание сажи.

Противокоррозионная присадка марки нафтенат цинка в концентрации 0,25…0,3%, добавленная в моторное масло эффективно нейтрализует разрушающее действие кислот.

Для повышения цетанового числа ДТ улучшения его пусковых свойств используют присадки: тионитраты RNSO; изпропилнитраты; перекиси RCH2ONO в концентрации 0,2…0,25%.

Депрессорные присадки – сополимеры этилена и винилацетана с концентрацией 0,001…2,0% используются для понижения температуры застывания. Они покрывают мономолекулярным слоем микрокристаллики застывающего парафины, препятствуют их укрупнению и выпаданию.

Антиокислительные присадки в концентрации 0,001…0,1% повышают термоокислительную стойкость топлив.

Антикоррозионные присадки в концентрации 0,0008…0,005% понижают коррозионную агрессивность дизельных топлив.

Биоцидные присадки в концентрации 0,005…0,5%, которые подавляют размножение микроорганизмов в топливе.

Многофункциональные присадки, состоящие из депрессорных, моющих и противодымных компонентов, которые не только расширяют низкотемпературные свойства топлив, но и снижают токсичность отработавших газов. Например, введение присадки АДДП в дизельное топливо в количестве 0,05…0,3% снижает температуру застывания топлива на 20…25%, а температура фильтруемости при этом снижается на 10…12˚С, дымность – на 20…55˚С, а нагарообразование – на 50…60%.

Таким образом, введение в дизельное топливо различных присадок и добавок значительно улучшает его эксплуатационные свойства.

Выводы по лекции № 5:

1.  Дизельный двигатель будет работать надежно и экономично, если рабочая смесь в цилиндрах будет сгорать полностью. Для этого необходимо:

·  Правильно подбирать дизельное топливо;

·  Правильно устанавливать угол опережения впрыска.

2.  Испаряемость ДТ определяется его фракционным составом, который в отличие от бензинов регламентируется лишь температурами выкипания 50 и 96% топлива.

Это объясняется тем, что между температурой выкипания 10% дизельного топлива и работой дизельных двигателей однозначной связи не установлено.

При повышении температуры выкипания 10% топлива, т.е. утяжелении топлива, его расход отработавших газов и дымность увеличиваются.

При облегчении топлива, когда его легкие фракции будут иметь худшую самовоспламеняемость, по сравнению с тяжелыми фракциями, пуск двигателя ухудшается.

Исходя из этого, пусковые свойства дизельных топлив определяются температурой выкипания 50% топлива, а температура выкипания 96% топлива регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций.

Увеличение тяжелых фракций ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов.

3.  Способность дизельного топлива самовоспламеняться характеризует его воспламеняемость.

Воспламеняемость характеризует и определяет подготовительную фазу процесса сгорания, т.е. период задержки воспламенения, который складывается из времени затрачиваемого:

·  На распад на мелкие капли топливной струи;

·  Частичное их испарение;

·  Смешивание паров топлива с воздухом (физическая составляющая);

·  Времени, необходимого для завершения предпламенных реакций;

·  Формирования очагов самовоспламенения (химическая составляющая).

Физическая составляющая времени на задержки воспламенения зависит от конструктивных особенностей двигателя.

Химическая составляющая времени зависит от свойств применяемого топлива.

Длительность периода задержки воспламенения существенно влияет на последующее течение всего процесса сгорания.

Если период задержки воспламенения длительный (большой), то в цилиндрах двигателя увеличивается количество впрыскиваемого топлива, которое химически становится (т.е. подготовлено) для самовоспламенения. При этом сгорание будет происходить с большой скоростью и резким нарастанием давления, которое достигнув скорость нарастания более 0,4…0,6МПа на 1˚ поворота коленчатого вала называют «жесткой». При такой «жесткой» работе возникают ударные нагрузки на поршень, подшипники скольжения, вызывая их ускоренный износ, а иногда даже разрушение.

Если период задержки воспламенения будет снижаться, то давление будет нарастать более плавно, и двигатель станет работать мягче. Но при «мягкой» работе, чрезмерное сокращение периода задержки самовоспламенения приводит к ухудшению процесса смесеобразования и, как следствие, к падению мощности и экономичности двигателя.

Поэтому для обеспечения нормальной работы двигателя необходимо применять дизельное топливо с оптимальной длительностью периода задержки воспламенения, который характеризуется цетановым числом.

4.  Цетановое число – условная единица измерения самовоспламенения топлива, численно равный содержанию цетана С16Н13(%) в смеси с α-метилнафталином С11Н10, которая эквивалентна по самовоспламеняемости данному топливу.

Цетан обладает хорошей самовоспламеняемостью, которую принимают за 100ед., а α-метилнафталин обладает плохой самовоспламеняемостью, ее принимают за 0 (ноль).

Варьируя содержание указанных компонентов в эталонной смеси, можно изменять от 100 до 0.

Поэтому, чем меньше цетановое число, тем больше период задержки воспламенения топлива. Следовательно, применение топлив с цетановым числом менее 45% приводит к жесткой работе двигателя, а повышение цетанового числа выше 50% вызывает увеличение удельного расхода топлива.

Пусковые свойства топлива всегда улучшаются при возрастании цетанового числа.

5.  Прокачиваемость дизельного топлива по системе питания двигателя является основным требованием к его качеству, т.к. оно обеспечивает подачу необходимого количества топлива в цилиндры для заданного режима работы двигателя.

Прокачиваемость оценивается следующими показателями:

·  Вязкостью;

·  Температурами помутнения и застывания;

·  Содержанием механических примесей;

·  Коэффициентом фильтруемости;

·  Предельной температурой фильтруемости.

6.  Вязкость топлива оказывает непосредственное влияние на процесс образования ТВ-смеси. От вязкости зависят надежность и ресурс топливной аппаратуры дизельных двигателей.