Тема № 5 / 1. Автомобільні дизельні палива
Питання теми:
Характеристики дизельних палив та їх маркування
Експлуатаційні вимоги до якості дизельного палива
Властивості і показники дизельного палива, що впливають на роботу двигуна
3.1 Властивості, що впливають на подачу палива в циліндри двигуна
3.2 Низькотемпературні властивості дизельного палива
3.3 Фізична та хімічна стабільність палива
1. Характеристика дизельних палив. Маркування
Дизельне паливо - це нафтова фракція, основу якої складають вуглеводні з температурою кипіння 200 ... 350 ˚ С.
Це прозора і більш в'язка, ніж бензин, рідина жовтого або світло-коричневого кольору (в залежності від вмісту в ній смол). З щільністю 0,8 ... 0,83 кг / м 3.
Для автомобільних дизельних двигунів випускаються палива на базі гасових, газойльових і соляровим дистиляторів прямої перегонки нафти. Для зниження вмісту сірки використовують гідроочищення і депарафінізації.
У силу цього ДП за своїм хімічним складом являє складну суміш: алканів (від 10 до 40%), циклоалканов (20 ... 60%) і ароматичних сполук (14 ... 30%) та їх похідних. З підвищенням температури кипіння фракції вміст ароматичних вуглеводнів може збільшуватися до 40-47%. Середня молекулярна маса ДТ знаходиться в межах від 110 до 230.
Маркування дизельних палив - характеризує сезонність або географічну область застосування.
Л. - літнє, рекомендується для експлуатації при температурі повітря від 0 ˚ С і вище.
З. - зимове, рекомендується для експлуатації при температурі навколишнього повітря мінус 20 С і вище (при цьому температура застигання ДТ не вище мінус 35 ˚ С), а також мінус 30 С і вище (при цьому температура застигання палива не вище мінус 45 ˚ С ).
А. - арктичне, рекомендований для експлуатації при температурі повітря мінус 50 ˚ С і вище.
За змістом сірки дизельні палива поділяються на два види:
масова частка сірки не більше 0,2%
масова частка сірки не більше 0,5% (а для марки А. не більше 0,4%).
У умовне позначення палива марки:
- Л. Повинні входити масова частка сірки і температура спалаху палива;
- З. повинні входити масова частка сірки і температура застигання палива;
- А. повинні входити тільки масова частка сірки.
Наприклад, Л. - 0,2 - 40 позначає паливо літнє з масовою часткою сірки до 0,2% і температурою спалаху 40 ˚ С;
З. - 0,2 - 35 позначає паливо зимове, з масовою часткою сірки до 0,2% і температурою застигання мінус 35 ˚ С;
А. - 0,4 - позначає паливо арктичне, з масовою часткою сірки 0,4%.
Палива для помірної кліматичної зони мають більш високу температуру помутніння і застигання, а палива для холодних кліматичних зон - нижчу. рекомендований для експлуатації при температурі повітря від 0 С і вище. алканів (від 10 до 40%) ових дистиляторів прямий перегін, рекомендований для
Паливо арктичне має температуру застигання мінус 55 ˚ С.
Для експортних палив, вміст сірки не повинен перевищувати 0,1%, фактичних смол 25 мг на 100 см 3, а зольність не більше 0,008%.
Неграничних вуглеводнів в дизельних паливах практично немає.
В деякі сорти дизельних палив практично додають 20% каталітичного газойлю з вмістом ароматичних вуглеводнів.
Екологічно чисті дизельні палива виробляють із гідроочищені газойльових фракцій прямої гонки і вторинних процесів. Вони не мають антиокислювальних присадок і містять в собі загальної сірки не більше 0,05%. Такі палива без антиокислювальних присадок мають низьку хімічну стабільність і непридатні для тривалого зберігання.
Для поліпшення якості дизельних палив на нафтопереробних заводах додають присадки: ізопропілнітрат і ціклогексілнітрат з метою підвищення цетанового числа.
У прямогонний фракціях, в залежності від нафти, що переробляється, вміст сірки коливається в межах:
- Для сірчистих нафт від 0,8 до 1,0%;
- У гідроочищені компоненти від 0,08 до 0,1%.
Міські дизельні палива з поліпшеними екологічними показниками мають присадки:
- Влітку антідимние (ЕФАП-Б) або імпортниую Лубрізол 8288;
- Взимку депресорних - сополімер етилену з вінілацетаном.
У міських паливах екологічні властивості, такі як димність і токсичність відпрацьованих газів менше на 30 ... 50% у порівнянні із паливом без присадок. Вони також відповідають європейським вимогам за змістом сірки.
2. Експлуатаційні вимоги до якості дизельного палива
У дизельних двигунах складні процеси сумішоутворення і згоряння палива відбуваються протягом дуже малого проміжку часу. Кут повороту колінчастого вала за цей період відповідає тільки 20 ˚. Тому, чим буде швидкохідні двигун, тим час цього процесу буде менше.
Якщо порівнювати бензиновий і дизельний двигуни, то в бензиновому двигуні при рівній частоті обертання колінчастого валу на процес сумішоутворення і згоряння робочої суміші доводиться в 10 ... 15 разів більше часу.
Виходячи з такого явища, що відбувається в циліндрах дизельного двигуна, до якості дизельного палива ставляться специфічні вимоги, такі як:
Хороша прокачиваемость як умова безперебійної та надійної роботи ТНВД;
Забезпечення тонкого розпилу і хорошого сумішоутворення;
«М'який» пуск дизельного двигуна;
Повне згоряння робочої суміші в циліндрах і при цьому робота двигуна повинна бути «м'яка»;
Запобігання нагорообразованія на клапанах, поршнях і поршневих кільцях;
Недопущення зависання голок і закоксовиванія розпилювачів фарсунок;
Відсутність корозійного впливу на деталі двигуна, топливоподающей систему, паливопроводи і паливні баки;
Висока хімічна та фізична стабільність.
Таким чином, надійна та економічна робота дизельного двигуна забезпечується при виконанні наступних умов:
Дизельне паливо для двигуна підібрано правильно;
Оптимальний кут випередження впорскування встановлений вірно;
Під час робочого ходу робоча суміш згоряє повністю.
Якщо ці головні умови не будуть дотримуватися, то потужність дизельного двигуна буде падати, димність темного вихлопу збільшуватися, а питома витрата палива зросте.
3. Властивості і показники дизельного палива, що впливають на роботу двигуна
3.1 Властивості і показники ДП, що впливають на подачу палива в циліндри двигуна
Властивості і показники ДП, що впливають на подачу палива в циліндри відносяться:
В'язкість палива;
Температурні властивості палива;
Фізична і хімічна стабільність палива.
В'язкість - це показник, що визначає прокачиваемость палива за системою харчування. Для ДТ різних марок в'язкість буває від 1,8 до 6,0 мм 2 / с. сіли в'язкість буде вище або нижче цих меж, то робота топливоподающей апаратури порушиться, після чого порушиться сумішоутворення і згоряння дизельного палива.
Якщо в'язкість ДТ - низька, то сумішоутворення погіршується, і стає неякісним через неповне використання повітря.
Якщо в'язкість ДТ - висока, то сумішоутворення також погіршується через повільне випаровування великих крапель палива, які випаровуються повільно і осідають на металі. Процес горіння порушується. Паливо згорає не повністю, збільшується його витрата, підвищується нагарообразование. ККД - падає.
Зі зростанням температури індекс в'язкості палива (ІВ) знижується, а при її зменшенні - зростає.
Малюнок. Зміна індексу в'язкості (ІВ) дизельного палива в залежності від температури.
Кращими властивостями володіє паливо з середньою в'язкістю від 2,5 до 4,0 мм 2 / с при 20 ˚ С. Це паливо зберігає свої властивості при мінусовій температурі, тому що плинність його трубопроводу не змінюється.
Однак, чим вище в'язкість ДП буде при 20 ˚ С, то більша його зміна буде при зниженні температури. Тому, в залежності від марки палив застосування його будуть визначати умови. Так для:
Літніх ДТ в'язкість повинна бути 3,0 ... 6,0 мм 2 / с;
Зимових ДТ - 1,8 ... 5,0 мм 2 / с;
Арктичних ДТ - 1,5 ... 4,0 мм 2 / с.
Таким чином, в'язкість ДТ в значній мірі зумовлює протікання робочого процесу в циліндрах двигуна, а отже, його ефективність і економічність.
Низькотемпературні властивості ДТ.
Ці властивості залежать від:
Групового складу;
Фрикційного складу.
Парафінові (алкани) і ароматичні (арени) - це найгірші групи.
Циклани - це краща група.
Всі вуглеводні, що входять до складу ДП, мають високу температуру кристалізації. Особливо це відноситься до парафіновим вуглеводнів. У холодну погоду вони видні неозброєним оком у вигляді кристаликів. Це все сковує рухливість ДТ і утворюється каркас.
Цю втрату рухливості називають застигання ДТ. Таке паливо стає непридатним до експлуатації.
Тому початок кристалізації вуглеводнів характеризується температурою помутніння, а втрата рухливості ДТ називається температурою застигання.
При температурі помутніння в'язкість зменшується незначно. Однак, кристали, проникаючи через фільтри, утворюють непроникну плівку і подача палива припиняється.
Найчастіше це проявляється під час пуску та перевірці двигуна.
Але безперебійна подача забезпечується при температурі помутніння палива тоді, коли ще вона буде нижча на 5 ... 10 ˚ С від навколишнього повітря.
Температура застигання настає тоді, коли ДТ втрачає текучість.
Встановлено, що температура помутніння зазвичай коливається від -7 до -13 ˚ С, а температура застигання настає від -12 до -19 ˚ С.
Різниця між температурою помутніння і застигання становить від 50 до 15 ˚ С залежно від хімічного складу палива.
Є показник, який визначає температуру фильтруемости, яку визначають шляхом прямої фільтрації палива при заданій температурі.
Температура граничної фильтруемости для літнього ДТ дорівнює - 5 ˚ С, а для зимового ДТ - 25 ˚ С.
Присутність в паливі гігроскопічної вологи не позначається на температурі фильтруемости, яка підвищується на 1 ... 15%, за умови, якщо в ДТ є емульсійна вода в кількості до 0,1% від маси.
3.2 Низькотемпературні властивості ДТ поліпшуються двома способами:
Видалення зі складу палива високоплавкі парафінів нормальної будови;
Додавання в паливо депресорних присадок (маркування по ТУ38.101.889-87-ДЗП). Це призводить до зниження температури застигання з -10 ˚ С до -35 ˚ С, а зниження температури фільтрації.
Наприклад. Присадка «Аспект-Д» вводиться в літній і зимовий ДТ з розрахунку 2г на 1кг палива. Вона забезпечує безперебійну роботу двигуна до температури -20 ˚ С. Це скорочує час пуску взимку.
Деякі присадки знижують тільки температуру застигання і не впливають на температуру фильтруемости. Тому в баку з'являється два шари:
верхній (прозорий) шар зі зниженим цетановим числом;
нижній (каламутний) прошарок, в якому багато дрібних кристалів парафіну.
При відсутності зимового і арктичного дизельного палива допускається розбавлення літнього та зимового палива гасом. Але при цьому розбавлене гасом ДТ втрачає частину своїх змащувальних властивостей, що призводить до зношування деталей паливної апаратури.
І ще, суміш дизельного палива з гасом більш пожежонебезпечна.
Якщо додавати в ДТ присадки спеціальні - антигелі, то температура застигання знижується до -47 ˚ С. Це забезпечує експлуатацію при дуже низьких температурах.
Висновки:
Низькотемпературні властивості ДТ визначаються вмістом у них високоплавкі вуглеводнів і води, що характеризуються показниками:
Температурою помутніння;
Температурою застигання;
Граничною температурою фильтруемости.
Для двигунів, що працюють на відкритому повітрі, мають велике значення такі показники, як:
Температура застигання, характеризує повну втрату рухливості;
Температура помутніння, при якій в паливі з'являються перші кристали парафіну.
Фізична і хімічна стабільність дизельного палива
Під впливом зовнішніх факторів в ДТ протікають фізичні і хімічні процеси, тобто відбувається випаровування, забруднення механічними домішками і водою, при охолодженні випадають високоплавкі компоненти, а також окислення, розкладання і конденсація. Крім цього в паливо потрапляють пил з атмосфери, продукти корозії, нерозчинні речовини, що утворюються в результаті окислення.
Хімічна стабільність палива залежить від його складу. Нестабільним вважаються ті палива, де є ненасичені сполуки (алкени) і смоли. Смоли відкладаються на гарячих поверхнях і потужність двигуна падає на 15 ... 20%. Кількість смол не повинно перевищувати 5 мг на 100 мл палива.
Смоли утворюються в результаті процесів окисної конденсації вуглеводнів в залежності від температури та каталізаторів.
Каталізаторами є металеві поверхні резервуарів, трубопроводів, оксиди і солі на цих поверхнях.
Каталітичну активність виявляють в основному метали змінної валентності, такі як залізо (Fe), хром (Cr), марганець (Mn), Кобальт (Co) та інші.
Хімічну стабільність оцінюють по індукційному періоду, тобто за часом до початку окислення.
Індукційний період - це інтервал часу, протягом якого паливо, перебуваючи в спеціальному герметично закритому посуді в атмосфері чистого кисню при 0,7 МПа і 100 ˚ С, не вступає з киснем в хімічні з'єднання.
Як тільки починається падіння тиску в посудині індукційний період закінчується. Ось тому по індукційному періоду судять про хімічну стабільності ДТ, тобто чим триваліший індукційний період палива, тим вище його хімічна стабільність.
Фізичної стабільністю мають стандартні дизельні палива, в яких не міститься летких і малорозчинних компонентів і домішок, а тиск насичених парів при 20 ˚ С не перевищує 1кПа. Втрати палива при великих і малих «дихання» резервуара не перевищують 1,5 кг / м 3 від паровоздушного простору.
При горінні ДТ утворюється нагар, який погіршує розпил палива з форсунок.
Наявність нагарообразования істотно залежить від складу палива, в тому числі і від фракційного, з обваження якого нагарообразование зростає. Найбільшою мірою нагар утворюється при наявності сірковмісних сполук, алкенів, аренів і смол.
Механічні домішки також знижують надійність паливної апаратури. Небезпечними механічними домішками є пісок, глинозем або частки льоду, при замерзанні води в паливі.
Вода в ДТ погіршує його змазують. Тому вміст води в нафтопродуктах до 0,025% включно прийнято називати слідами. Проте навіть таке її кількість припустимо у літніх видах дизельного палива.
Таким чином, зміст в ДТ механічних домішок, води, мив нафтенових кислот і смолистих продуктів окислення характеризується показником, званим коефіцієнтом фильтруемости. Він визначає чистоту палив і дозволяє оцінити вміст в паливі всіх видів забруднення, обмежити їх зміст і забезпечити надійну роботу паливної апаратури.
Автомобільні дизельні палива
Питання теми:
Властивості і показники дизельного палива, що впливають на сумішоутворення
1.1 Випаровуваність дизельного палива
1.2 Щільність і поверхневий натяг дизельного палива
Властивості і показники дизельного палива, що впливають на самозаймання і процес згоряння
2.1 Займистість дизельного палива
2.2. Цетанове число дизельного палива
Властивості і показники дизельного палива, що впливають на утворення відкладень і корозії деталей двигуна
3.1 Корозійні властивості дизельного палива
3.2 Утворення відкладень в дизельному двигуні та їх причини
3.3 Багатофункціональні присадки і їх вплив на властивості дизельних палив
1. Властивості і показники дизельного палива, що впливають на сумішоутворення
1.1 Випаровуваність дизельного палива
Випаровуваність ДТ оцінюється фракційним складом, тобто температурами t 10%, t 50%, t 96%, t к.п..
На відміну від бензину, фракційний склад ДП регламентується тільки двома температурами википання 50 і 96% палива. Справа в тому, що між температурою википання 10% дизельного палива і роботою дизельних двигунів однозначної зв'язку не встановлено.
При підвищенні википання 10% палива, тобто обважнення палива, збільшується його витрата і димність відпрацьованих газів.
При зниженні википання 10% палива, тобто полегшенні палива, погіршується пуск двигуна. Чому? Та тому, що легкі фракції мають гіршу самовоспламеняємость, тобто пускові властивості дизельний палив для дизелів, де відбувається самозаймання від стиснення.
Тому пускові якість ДТ визначаються температурою його википання 50%.
t 50% = 255 ... 280 ˚ С
t 96% = 330 ... 360 ˚ С
Температура википання 96% палива регламентується вмістом в паливі найбільш важких фракцій, збільшення яких погіршує сумішоутворення, знижує економічність, підвищує нагарообразование і димність відпрацьованих газів. У залежності від марки дизельного палива температури википання t 50% і t 96% коливається як зазначено вище.
Чим вище випаровуваність палива, тим якісніше сумішоутворення усередині циліндрів, значить, краще буде його згоряння.
Тому, щоб якісно було сумішоутворення, ДТ потрібно ретельно Розпилююча. Це досягається створенням великої швидкості руху палива через сопла форсунок. Перемішуючись у середовищі стисненого гарячого повітря, краплі ДТ випаровуються, а їх пари, перемішуючись з повітрям, утворюють горючу суміш.
Випаровуваність ДТ в експлуатаційних умовах залежить від наступних факторів:
Від конструкторських особливостей дизеля;
Від форми камери згоряння;
Від конструкції та розміру соплових отворів форсунок;
Від тиску палива;
Від напряму уприскування палива.
Всі ці фактори впливають на оптимальне перемішування палива з повітрям, а значить, і на випаровуваність.
Інші фактори, такі як в'язкість, тиск насичених парів, поверхневий натяг, мають таке ж значення для випаровуваності дизельного палива, як і в бензинів.
Ускладнення і полегшення фракційного складу дизельного палива розглядається як один з перспективних напрямів збільшення ресурсів палива.
Встановлено, що за рахунок збільшення температури кінця кипіння з 360 до 380 ˚ С ресурси ДТ можуть бути збільшені на 3 ... 4%.
Щільність і поверхневий натяг дизельного палива
Щільність ДТ дорівнює 830 ... 860 кг / м 3. В експлуатації підвищення щільності палива зі зниженням температури викликає збільшення його витрати за масою при його об'ємному дозуванні.
Крім того, це підвищує максимальний тиск у трубопроводах системи живлення. У результаті збільшення щільності призводить до збагачення суміші.
Щільність і поверхневий натяг ДТ, поряд з в'язкістю впливають на якість розпилення. При цьому, чим більш дрібну структуру крапель буде мати розпилений факел палива, з форсунки, тим швидше відбудеться перехід його в пароподібний стан.
2. Властивості і показники дизельного палива, що впливають на самозаймання і процес згоряння
Займистість дизельного палива
Займистість ДТ - це його здатність самозайматися всередині циліндрів двигуна, після його уприскування під великим тиском у стислий і нагріте повітря.
Займистість ДТ залежить від температури в осередку займання. При цьому дрібні краплі палива змішуються з киснем, випаровуються і починається процес згоряння, тобто самозаймання починається без будь-якого джерела запалювання.
Температура самозаймання залежить від хімічного складу ДП, тобто від змісту і будови вуглеводнів, що входять до його складу.
Час між початком вприскування і самозаймання називають періодом затримки самозаймання.
Весь цей період складається з:
З фізичної складової, тобто з витраченого часу:
на розпад паливної струменя;
на освіту дрібних крапель;
на їх нагрівання і випаровування;
на змішування їх парів з киснем повітря.
З хімічної складової, тобто з витраченого часу:
на завершення предпламенних реакцій;
на формування осередків самозаймання.
Фізична складова затримки самозаймання залежить від конструктивних особливостей двигуна.
Хімічна складова залежить від властивостей застосовуваного дизельного палива.
Виходячи з вищесказаного можна зробити висновок, що період затримки самозаймання у різних палив неоднаковий. Деякі ДТ спалахують відразу після упорскування, а інші через деякий час.
У першому випадку, коли період затримки самозаймання невеликий, то в циліндр двигуна надходить відносно невелика кількість палива і згорання відбувається з постійною швидкістю і рівномірним тиском утворилися газів над поршнем.
Парафінові вуглеводні (алкани) що входять до складу молекул ДП будуть менш стійкі і тому вони швидко розпадаються і окислюються з утворенням продуктів неповного окислення. Двигун при згоранні такого палива працює м'яко і стійко, тому що тиск збільшується плавно.
Але якщо цей період буде скорочуватися, то це призводить до погіршення процесу сумішоутворення, і як наслідок, до зниження потужності й економічності двигуна.
У другому випадку, коли період затримки запалення більше першого, то в циліндр встигає вступити велику кількість палива. І воно з-за створилося великого тиску і температури в циліндрі, запалюється з моменту уприскування, тобто в такому паливі звичайно містяться парафінові вуглеводні ізомерного будови, а також ароматичні вуглеводні. Згоряння носить вибуховий характер. Тиск підвищується миттєво, стрибкоподібно, ривками. Це явище нагадує детонацію в бензинових двигунах.
Така робота дизельного двигуна називається жорсткою, при якій поршень піддається підвищеному ударної дії. Механізми двигуна зношуються, знижується його потужність і економічність, падає ККД.
Висновок:
Виходячи з вищесказаного можна стверджувати, що період затримки самозаймання визначається характером предпламенних процесів окислення (оксидів, альдегідів, кетонів). Тобто, чим більше в паливоповітряної суміші накопичитися продуктів окислення, тим менше буде період затримки самозаймання.
Отже, для запалення дизельного палива від стиснення без стороннього джерела запалювання необхідно, щоб температура від якої ДТ самозаймається була б нижчою температури, до якої нагрівається стиснений в циліндрах повітря (~ 500 ... 550 ˚ С).
Найбільш високу температуру самозаймання мають арени (~ 600 ˚ С), а найнижчу - алкани (до 500 ˚ С).
Тому для нормальної роботи дизельного двигуна необхідно застосовувати палива з оптимальною тривалістю періоду затримки самозаймання.
Цетанове число дизельного палива
Схильність дизельного палива до самозаймання характеризується величиною цетанового числа. У паливі присутні два вуглеводню: цетан C 16 H 34, α-метилнафталін C 16 H 7 CH. Самовоспламеняємость перший вуглеводню - цетана - умовно прийнята за 100 од., А другого - за 0 од. Змішуючи їх, можна отримати суміш з самовоспламеняемости від 0 до 100 од.
Таким чином, цетанове число - це умовний показник самовоспламеняемости дизельного палива, що дорівнює процентному змісту цетана в суміші з α-метилнафталіном, яка має період затримки самозаймання, як і випробуваний зразок.
Оптимальне цетанове число ДТ знаходиться в інтервалі 40 ... 50. Якщо застосовувати паливо з цетановим числом менше 40, то двигун буде працювати жорстко.
Якщо застосовувати паливо з цетановим числом більше 50, то це призведе до збільшення питомої витрати палива і воно буде згоряти не повністю.
Для роботи дизельних двигунів у нормальному режимі потрібно паливо, у якого цетанові числа будуть: влітку - не менше 45 (якщо буде нижчою, то буде жорстка робота двигуна); взимку - 50.
Якщо влітку використовувати паливо з цетановим числом вище 45, то двигун буде працювати м'яко.
Якщо використовувати ДТ з цетановим числом вище 60, то таке паливо буде нерентабельним, тому що жорсткість роботи двигуна буде змінюватися незначно, але питома витрата палива зросте. Це пояснюється тим, що при підвищенні цетанового числа вище 55, період затримки самозаймання буде настільки коротким, що паливо спалахнути поблизу уприскування з форсунки. Воно не встигне перемішатися з повітрям, і частина повітря, що знаходиться далі від місця упорскування не буде брати участь в процесі згоряння. В результаті паливо згорить не повністю і економічність двигуна знизиться.
Для того, щоб ДТ завжди забезпечувало б необхідну самовоспламеняємость, тому виникає необхідність у підвищенні цетанового числа.
Для цього існують два методи:
зміна хімічного складу палива, тобто одночасне збільшення концентрації нормальних парафінів (алканів) З n Н 2n +2 і зменшення ароматичних вуглеводнів (аренів) C n H 2 n -6;
введення спеціальних кисневмісних присадок в дизельне паливо (органічних перекисів, складних ефірів азотної кислоти - етілнітрата, ізопропілнітрата, цеклогексілнітрата).
Ц.ч. залежить від змісту і будови вуглеводнів, що входять до складу дизельного палива.
Цетанові числа найвищі у парафінових вуглеводнів (алканів), а найнижчі мають ароматичні вуглеводні.
Всі вуглеводні, що входять до складу ДП по висоті цетанового числа розташовуються в такий спосіб:
1 місце займають - алкани;
2 місце займають - Циклоалкани;
3 місце займають - ізоалкани;
4 місце займають - арени.
Тобто, чим вище місце вуглеводню, тим буде вище цетанове число палива.
Таким чином, підвищення вмісту Н-алканів приводить до збільшення цетанового числа. Однак, Н-алкани мають високу температуру кристалізації, що призводить до погіршення низькотемпературних властивостей дизельного палива.
Тому надійність пуску холодного дизельного двигуна залежить більшою мірою від конструкції двигуна і режиму пуску, ніж від цетанового числа дизельного палива.
Якщо температура в камері згоряння буде нижче 350 ... 400 ˚ С, то горюча суміш вже не буде в змозі самозапалившись. Для того, щоб вона змогла самозапалившись, необхідно, щоб частота обертання колінчастого вала двигуна була 100 ... 120 хв -1. тобто, чим вище пускова частота обертання коліна, тим вищою буде температура стисливого повітря, від якої умови пуску будуть зростати.
Для прискорення процесу самозаймання дизельного палива в нього вводять кисень присадки, такі як: органічні перекиси, складні ефіри азотної кислоти, які сприяють виділенню активного кисню. Вони, потрапляючи в камеру згоряння, за рахунок активного кисню, прискорюють утворення перекисів, від розкладання яких прискорюється процес самозаймання.
Наприклад, якщо в зимовий ДТ додавати 1% ізопропілнітрата, то зростає цетанове число на 10 ... 20 од., Що покращує пускові властивості цього палива в зимовий час. При цьому зменшується нагароутворення в циліндрах.
Якщо додавати в дизельне паливо бензинові фракції, то цетанове число знижується.
Існує емпірична залежність цетанового числа ДТ від його октанового числа бензину:
Чим вище октанове число, тим нижче його цетанове число.
3. Властивості і показники дизельного палива, що впливають на утворення відкладень і корозії на деталях двигуна
Топливоподающая система дизельного двигуна повинна зберігати чистоту. Тому ДП повинна зберігати свої експлуатаційні властивості такими, щоб в системі не було забруднень і утворення відкладень. Якщо це не дотримуватися, то робочий процес двигуна буде порушений, погіршаться його техніко-економічні та екологічні показники і збільшитися знос деталей.
На освіту відкладень впливають такі фактори:
фракційний склад палива;
вміст у паливі сірчистих сполук;
вміст у паливі неграничних і ароматичних вуглеводнів;
зміст смолистих сполук і неорганічних домішок.
Фракційний склад ДП, що характеризується переважанням легких або важких фракцій, завжди погіршує процес горіння.
Якщо в ДТ переважають легкі фракції, то горіння в циліндрах супроводжується стукотами, а двигун працює жорстко.
Якщо в ДТ переважають важкі фракції, то з'являється димлення і забруднення двигуна, збільшується витрата палива, підвищується нагарообразование, закоксовиваніє форсунки, інтенсивно зношуються деталі, двигун перегрівається, потужність двигуна знижується, а пуск його не може.
Корозійні властивості дизельного палива
Якщо в ДТ знаходяться:
Органічні кислоти;
Водорозчинні кислоти;
Луги;
Сірчисті з'єднання,
То таке паливо є корозійним.
Мінеральні кислоти виявляю з реакції водної витяжки, а активні сірчані з'єднання виявляють за допомогою проби на мідну пластину.
При роботі дизеля на сірчистому паливі утворюються міцні трудноудаляємиє лакові відкладення і нагар, які збільшують знос цилиндропоршневой групи. Тому за кількістю сер в ДТ судять про його корозійної стійкості.
Найбільш агресивною є активна сірка (тобто елементарна сірка - S, сірководень-H 2 S і меркаптани). Зміст меркаптанової сірки не повинно бути.
Проба на мідну пластинку гарантує наявність H 2 S (сірководню) та вільної сірки S в такій концентрації, яка виключає хімічну корозію металів паливної системи.
При високій температурі в камерах згоряння утворюються оксиди сірки (SO 2 і SO 4), які в присутності вологи сприяють полімеризації нестабільних компонентів олії. У результаті утворюються тверді відкладення.
Коли двигун охолоджується, з'являється конденсат парів води, який вступає в реакцію з'єднання з SO 2 або SO 3, (сірчаний і сірчистий ангідриди) і утворює сірчану кислоту (H 2 SO 4).
Якщо в ДТ міститься менше 0,2% сірки, то вона буде неактивною та ускладнень в роботі двигуна викликати не буде. Тому її застосування буде без обмежень.
Більшість палив виробляють з сірчистих нафт з вмістом сірки до 0,5%.
Зазвичай дизельні палива поділяються за наявністю сірки на підгрупи:
Наявність сірки не більше 0,2%;
Наявність сірки від 0,21 до 0,5% (для літніх і зимових марок);
Наявність сірки від 0,21 до 0,4% (для арктичних марок).
Таким чином, за кількістю сірки судять про корозійної стійкості ДТ.
Якщо в ДТ будуть присутні водорозчинні мінеральні кислоти і луги, то з'явиться корозійний вплив на метали. Тому присутність мінеральних кислот і лугів в ДТ не допускається, а зміст обмежується 5мг гідрооксиду калію - КОН на 100 мл палива.
Ця концентрація гарантує, що хімічна корозія металів буде виключена. Якщо гідрооксиду калію - КОН на 100 мл палива буде більше, то можлива корозія.
Таким чином, наявність в ДТ кислих сполук характеризується кислотністю, яка при підвищенні прискорює знос корінних і шатунних підшипників колінчастого вала.
Щоб не допустити руйнівної дії кислот, їх нейтралізують, тобто в дизельні масла додають протикорозійні присадки. Наприклад, нафтенатцінка (0,25 ... 0,3%). Якщо двигун буде працювати на такому маслі, то тоді можна використовувати ДТ з вмістом сірки не більше 0,2%.
Отже, щоб понизити корозійні знос двигуна, необхідно, щоб:
час на пуск двигуна і прогрів його було б скорочено;
постійно підтримувати його оптимальний тепловий режим.
Утворення відкладень в дизельному двигуні та їх причини
При разгонке нафти з низьким вмістом сірчаних сполук, отримують дизельні палива з високою хімічною стабільністю. Такі палива довго зберігають свої якості (більше 5 років зберігання).
У нафти з вмістом великої кількості сірки (тобто зі значною кількістю олефінів - неграничних вуглеводнів і меркаптанів) хімічна стабільність ДТ невисока і воно швидко за короткий термін змінює свою якість.
Після застосування такого палива в дизельному двигуні з'являється нагар і смолянисті відкладення. Причиною цього є неповне випаровування і погане розпорошення ДТ всередині циліндрів із-за великої в'язкості палива з важким фракційним складом. Крім цього, наявність механічних домішок в ДТ є причиною нагарообразования.
Отже, присутність у паливі сірки, фактичних смол, золи (вогнетривких домішок) і схильність такого палива до нагароутворення визначає динаміку накопичення нагару, яка характеризується коксівним числом, тобто здатністю палива утворювати вуглистий залишок при високотемпературному (більше 800 ... 900 ˚ С) розкладанні палива без доступу повітря.
Вуглистий залишок або мінеральний залишок є золою, тобто неспаленої домішкою, що підвищує нагарообразование. Крім цього, зола потрапляючи в моторне масло викликає прискорене зношування деталей ДВЗ. Тому кількість золи обмежується нормою не більше 0,01%. Таким чином, причиною утворення углистого залишку є наступні фактори:
недостатня глибина очищення палива від смолисто-асфальтенових сполук;
підвищена в'язкість дизельного палива;
важкий фракційний склад палива.
Також схильність ДТ до нагару характеризується вмістом в ній фактичних смол, тобто домішок, що залишаються після очищення базових дистиляторів. Фактичні смоли викликають осмоленню палива, через наявність у паливі неграничних вуглеводнів, про кількість яких судять по йодному числа.
Йодне число - це показник неграничних вуглеводнів (олефінів) у дизельному паливі, чисельно дорівнює кількості грамів йоду, що приєдналися до ненасичених вуглеводнів, які містяться в 100г палива.
Зазвичай, неграничні вуглеводні (олефіни) вступають в реакцію з'єднання з йодом. Тобто, чим більше в паливі неграничних вуглеводнів, тим більше йоду вступає в реакцію. Нормальним вважається така кількість неграничних вуглеводнів, які вступають в реакцію з йодом не перевищує більш 6г йоду на 100г зимового або літнього дизельного палива.
Чим більше в дизельному паливі фактичних смол, тим вище схильність його до нагароутворення. Тому зміст фактичних смол не повинно перевищувати:
для зимових ДТ - 30мг на 100мл;
для літніх ДТ - 60мг на 100мл.
Концентрація фактичних смол нормується йодним числом.
Схильність ДТ до лакообразованію оцінюється за змістом лаку в мг на 100 мл палива. Для цього паливо випаровують у спеціальному лакообразователе при температурі 250 ˚ С.
Висновки:
При роботі дизельного двигуна на сірчистому паливі утворюються міцні трудноудаляємиє нагар і лакові відкладення, що викликає знос деталей двигуна, коли він працює на зниженій температурі.
Коксівність палива також призводить до утворення нагару і лакообразованію, в результаті чого може відбутися заклинювання поршневих кілець.
Через наявність у паливі частинок меркаптовой сірки при окислюванні палива утворюються смоли, які в поєднанні зі смолами, що утворюються з олефінів і ще фактичними смолами, які є в ДТ, на зоморних голках форсунок осідають лакові плівки, що з часом викликає зависання голок усередині форсунок .
Багатофункціональні присадки і їх вплив на властивості дизельних палив.
Поліпшення властивостей ДТ досягається шляхом введення до їх складу багатофункціональних присадок, таких як:
Депресорні;
Підвищують цетанове число;
Антиокислювальні;
Мийно-дісперсірующіе;
Знижують димність відпрацьованих газів та ін
Антідимние присадки марок МСТ-15, АДП-2056, ЕФАП-6 в концентрації 0,2 ... 0,3 дозволяють знизити димність відпрацьованих газів на 40 ... 50% і зменшити вміст сажі.
Протикорозійний присадка марки нафтенат цинку в концентрації 0,25 ... 0,3%, додана в моторне масло ефективно нейтралізує руйнівну дію кислот.
Для підвищення цетанового числа ДТ поліпшення його пускових властивостей використовують присадки: тіонітрати RNSO; ізпропілнітрати; перекису RCH 2 ONO в концентрації 0,2 ... 0,25%.
Депресорні присадки - сополімери етилену і вінілацетана з концентрацією 0,001 ... 2,0% використовуються для зниження температури застигання. Вони покривають мономолекулярним шаром мікрокристали застигаючого парафіни, перешкоджають їх укрупнення і випадання.
Антиокислювальні присадки в концентрації 0,001 ... 0,1% підвищують термоокислювальну стійкість палив.
Антикорозійні присадки в концентрації 0,0008 ... 0,005% знижують корозійну агресивність дизельних палив.
Біоцидниє присадки в концентрації 0,005 ... 0,5%, які пригнічують розмноження мікроорганізмів у паливі.
Багатофункціональні присадки, що складаються з депресорних, миючих і протидимних компонентів, які не тільки розширюють низькотемпературні властивості палив, але і знижують токсичність відпрацьованих газів. Наприклад, введення присадки АДДП в дизельне паливо в кількості 0,05 ... 0,3% знижує температуру застигання палива на 20 ... 25%, а температура фильтруемости при цьому знижується на 10 ... 12 ˚ С, димність - на 20 ... 55 ˚ С, а нагарообразование - на 50 ... 60%.
Таким чином, введення в дизельне паливо різних присадок і добавок значно покращує його експлуатаційні властивості.
Висновки по лекції № 5:
Дизельний двигун буде працювати надійно і економічно, якщо робоча суміш у циліндрах згоратиме повністю. Для цього необхідно:
Правильно підбирати дизельне паливо;
Правильно встановлювати кут випередження впорскування.
Випаровуваність ДТ визначається його фракційним складом, який на відміну від бензинів регламентується лише температурами википання 50 і 96% палива.
Це пояснюється тим, що між температурою википання 10% дизельного палива і роботою дизельних двигунів однозначної зв'язку не встановлено.
При підвищенні температури википання 10% палива, тобто обважненні палива, його витрати відпрацьованих газів і димність збільшуються.
При полегшенні палива, коли його легкі фракції будуть мати гіршу самовоспламеняємость, в порівнянні з важкими фракціями, пуск двигуна погіршується.
Виходячи з цього, пускові властивості дизельних палив визначаються температурою википання 50% палива, а температура википання 96% палива регламентує вміст у паливі найбільш важких фракцій.
Збільшення важких фракцій погіршує сумішоутворення, знижує економічність, підвищує нагарообразование і димність відпрацьованих газів.
Здатність дизельного палива самозайматися характеризує його займистість.
Займистість характеризує і визначає підготовчу фазу процесу згоряння, тобто період затримки запалення, який складається з часу витрачається:
На розпад на дрібні краплі паливної струменя;
Часткове їх випаровування;
Змішування парів палива з повітрям (фізична складова);
Часу, необхідного для завершення предпламенних реакцій;
Формування осередків самозаймання (хімічна складова).
Фізична складова часу на затримки запалення залежить від конструктивних особливостей двигуна.
Хімічна складова часу залежить від властивостей застосовуваного палива.
Тривалість періоду затримки запалення істотно впливає на подальший перебіг всього процесу згоряння.
Якщо період затримки запалення тривалий (великий), то в циліндрах двигуна збільшується кількість палива, що впорскується, яке хімічно стає (тобто підготовлено) для самозаймання. При цьому згорання буде відбуватися з великою швидкістю і різким наростанням тиску, яке досягнувши швидкість наростання більше 0,4 ... 0,6 МПа на 1 ˚ повороту колінчастого валу називають «жорсткою». За такої «жорсткою» роботі виникають ударні навантаження на поршень, підшипники ковзання, викликаючи їх прискорений знос, а іноді навіть руйнування.
Якщо період затримки запалення буде знижуватися, то тиск буде наростати більш плавно, і двигун стане працювати м'якше. Але при «м'якій» роботі, надмірне скорочення періоду затримки самозаймання призводить до погіршення процесу сумішоутворення і, як наслідок, до падіння потужності та економічності двигуна.
Тому для забезпечення нормальної роботи двигуна необхідно застосовувати дизельне паливо з оптимальною тривалістю періоду затримки запалення, що характеризується цетановим числом.
Цетанове число - умовна одиниця виміру самозаймання палива, чисельно рівний змістом цетана З 16 Н 13 (%) в суміші з α-метилнафталіном З 11 Н 10, яка еквівалентна по самовоспламеняемости даному паливу.
Цетан має гарну самовоспламеняемости, яку приймають за 100ед., А α-метилнафталін має погану самовоспламеняемости, її приймають за 0 (нуль).
Варіюючи зміст зазначених компонентів у еталонної суміші, можна змінювати від 100 до 0.
Тому, чим менше цетанове число, тим більше період затримки запалення палива. Отже, застосування палив з цетановим числом менше 45% призводить до жорсткої роботі двигуна, а підвищення цетанового числа вище 50% викликає збільшення питомої витрати палива.
Пускові властивості палива завжди поліпшуються при зростанні цетанового числа.
Прокачиваемость дизельного палива за системою живлення двигуна є основною вимогою до його якості, тому що воно забезпечує подачу необхідної кількості палива в циліндри для заданого режиму роботи двигуна.
Прокачиваемость оцінюється наступними показниками:
В'язкістю;
Температурами помутніння і застигання;
Змістом механічних домішок;
Коефіцієнтом фильтруемости;
Граничною температурою фильтруемости.
В'язкість палива безпосередньо впливає на процес утворення ТВ-суміші. Від в'язкості залежать надійність і ресурс паливної апаратури дизельних двигунів.
Якщо в'язкість палива підвищена, то задовільну тонкість розпилювання його за допомогою форсунки не вдається. Це погіршує процес сумішоутворення і призводить до зниження економічності роботи двигуна і підвищення димності опрацювали газів;
Якщо в'язкість палива знижена, то буде з'являтися підтікання палива в зазорах плунжерних пар насоса і форсунок, а також не буде здійснюватися задовільна мастило
Тому для літньої експлуатації швидкохідних дизельних двигунів в'язкість палива при 20 ˚ С повинна бути від 3,0 до 6,0 сСт (мм 2 / с), а для зимової експлуатації від 1,8 до 6,0 сСт. Для арктичних умов - в межах 1,5 ... 4,0 сСт.
Зі зменшенням температури в'язкість палива збільшується. Практично це помітно в інтервалі температур - від температури помутніння до температури застигання палива.
Температури помутніння і застигання палива, а також гранична температура фильтруемости зазвичай характеризують низькотемпературні властивості дизельного палива, тобто характеризують здатність палива зберігати текучість при зниженні температури і не викликати труднощів при перекачуванні його по трубопроводах.
Таким чином, можна сформулювати параметри дизельного палива наступним чином:
Температура помутніння - це температура, яка визначає початок випадання з палива високоплавкі вуглеводнів у вигляді кристалів (парафінів), яких в дизельному паливі набагато більше, ніж у бензині;
Температура застигання - це температура, при якій паливо втрачає свою текучість. За цим показником судять про можливість заправки, транспортування, зливу і наливу палива;
Коефіцієнт фильтруемости характеризує термін служби фільтрів тонкого очищення. Значення його залежить від вмісту в паливі механічних домішок, води, мильних продуктів нафтенових кислот та інших смолистих продуктів окислення. Зазвичай норма коефіцієнта фильтруемости не перевищує 3 одиниць. Це дозволяє обмежити вміст у паливі всіх забруднень і, тим самим, забезпечити надійність роботи паливної апаратури.
Сірчисті з'єднання міститися в дизельному паливі у великих кількостях, ніж у бензині. До них відносяться продукти активної сірки, такі як: меркаптани, сірководень, елементарна сірка і т.д. Всі вони при згоранні утворюють оксиди сірки, тобто газоподібні продукти, які при високій температурі в газовій сфері надають корозійний вплив на метали. А при низьких температурах вони легко розчиняються в краплях води, що конденсується з продуктів згорання. При цьому утворюються сірчана і сірчиста кислоти.
Встановлено, що знос деталей дизельних двигунів приблизно пропорційний вмісту в паливі сірки. Виходячи з цього показника дизельні палива підрозділяють на два види:
Перший - з вмістом сірки до 0,2%;
Другий - з вмістом сірки до 0,5%.
Найбільш корозійно-агресивними сполуками сірки є меркаптани і сірководень. Зміст їх у нафтопродуктах суворо регламентується.
Дизельне паливо володіє схильністю до утворення нагаро-і лакоотложеній в двигуні, які призводять до порушень робочого процесу двигуна. У результаті погіршується техніко-економічні та екологічні показники двигуна, а також збільшується знос деталей його механізмів.
На освіту відкладень впливають такі фактори, такі як:
Фракційний склад палива;
Вміст сірчистих сполук;
Зміст неграничних і ароматичних вуглеводнів;
Зміст неорганічних домішок.
Велика кількість нагару залишають у камерах згоряння більш важкі палива, в яких міститься велика кількість сірки та її сполук. Також зростає схильність палив до нагароутворенню із збільшенням вмісту в них ароматичних і неграничних вуглеводнів.
Стандартним показником кількості неграничних вуглеводнів в паливі регламентується йодним числом, що зі збільшенням неграничних вуглеводнів зростає.
Йодне число відповідає кількості йоду в грамах, здатного приєднатися до 100г нафтопродукту. Йод здатний реагувати лише з олефінами, тому чим їх більше буде в паливі, тим вищою буде йодне число, яке за стандартом не повинна перевищувати 6г йоду на 100 г палива (як для зимових, так і для літніх видів палива).
Кількість смолистих речовин в дизельних паливах оцінюється кількістю фактичних смол.
Зольність і коксованість оцінюватися як схильність ДТ до нагароутворення.
Зольність характеризує вміст у паливі негорючих неорганічних сполук, які підвищують абразивні властивості палива.
Коксівність - це властивість палива утворювати вуглистий залишок при нагріванні без доступу повітря.
Коксівність залежить:
Від вмісту в паливі смол;
Від вмісту в паливі неграничних вуглеводнів (олефінів).
Зольність і коксованість палив регламентується за ГОСТом до 10%-ного залишку.
Залежно від умов застосування встановлені основні три марки дизельного палива:
Л. (літнє) - для експлуатації при температурі навколишнього повітря 0 ˚ С і вище;
З. (зимове) - для експлуатації при температурі навколишнього повітря -20 ˚ С і вище;
А. (арктичні) - для експлуатації при температурі навколишнього повітря -50 ˚ С і вище.
Контрольні питання до лекції № 5:
Які експлуатаційні вимоги пред'являються до дизельних палив?
Які властивості і параметри ДТ впливають на подачу його в циліндри двигуна?
Які властивості і параметри ДТ впливають на сумішоутворення ТБ-суміші в циліндрах дизельного двигуна?
Як оцінюється самовоспламеняємость дизельного палива?
Якими показниками дизельного палива визначається нормальна, «жорстка» і «м'яка» роботи дизельного двигуна?
Що таке цетанове число, що воно характеризує для літніх, зимових і арктичних марок палив?
Способи підвищення цетанового числа?
Які властивості дизельних палив впливають на утворення відкладень у двигуні?
Які методи отримання дизельного палива дозволяють збільшити його ресурси?
Від чого залежать корозійні властивості дизельного палива?
Що визначає випаровуваність дизельних палив?
Що показують температури помутніння та застигання дизельного палива?
Який експлуатаційний показник дизельного палива визначає його безперебійну подачу з баків до двигуна при низькій температурі повітря?
Якої шкоди дизельному двигуну завдає вода, що знаходиться в паливі?
Чому фракційний склад дизельного палива не регламентується за температури 10%-ного википання, а регламентується тільки за температури 50%-ного і 96%-ного википання?
Література:
1. Васильєва Л.С. Автомобільні експлуатаційні матеріали: Підручник для вузів. - М.: Транспорт, 1986. - 59 ... 87 с.
2. Кириченко Н.Б. Автомобільні експлуатаційні матеріали: Навчальний посібник. - М.: Академія. 2003 р. - 36 ... 47 с.
3. Джериха В.Б. Автомобільні експлуатаційні матеріали. Частина I. Палива. Навчальний посібник. - СПб.: Гасу. 2008. - 120 141 з.