7.2.2. Дизельные топлива

По частоте вращения коленчатого вала различают быстроходные (с числом оборотов коленчатого вала более 1000 мин^-1) и тихоходные дизели. Степень быстроходности в значительной мере определяет требования к качеству топлива. Значительная часть грузовых автомобилей и сельскохозяйственной техники оснащены быстроходными дизелями, а суда речного и морского флота, а также стационарные силовые установки – преимущественно тихоходными.

По сравнению с карбюраторными – дизельные двигатели имеют следующие преимущества:

• дизели имеют на 30– 35 % меньший расход более дешевого топлива;

• средняя температура рабочего цикла в дизеле ниже, что облегчает его охлаждение;

• применение в дизелях более тяжелого по сравнению с бензином топлива обеспечивает пожарную безопасность, облегчает транспортирование и хранение его;

• дизели допускают большие перегрузки и отличаются большей устойчивостью в работе, чем карбюраторные двигатели;

• выхлопные газы дизелей менее токсичны;

• в дизеле за счет значительно меньшего времени контакта топлива с воздухом по сравнению с карбюраторными ДВС (топливо в дизеле впрыскивается только к концу такта сжатия) полностью устраняется опасность возникновения детонационного сгорания;

• практически неограниченная возможность обеднения горючей смеси, что позволяет изменять мощность дизеля только путем регулирования подачи топлива при постоянном расходе воздуха;

• возможность использования в дизелях топлив с различной испаряемостью: среднедистиллятных, утяжеленных, а при определенных условиях и легких, типа бензина и керосина.

К недостаткам дизелей следует отнести их большую удельную массу, меньшую их быстроходность и большую затрудненность в зимних условиях запуска по сравнению с карбюраторными двигателями.

К наиболее важным показателям качества топлив для быстроходных дизелей относятся: воспламеняемость, испаряемость, вязкость, коррозионная активность, низкотемпературные и экологические свойства.

Воспламеняемость характеризует способность дизельного топлива к самовоспламенению в среде разогретого от адиабатического сжатия в цилиндре двигателя воздуха.

Мерой воспламеняемости дизельных топлив принято цетановое число (ЦЧ). В качестве эталонных топлив применяют: цетан (н-гексадекан C₁₆H₃₄), имеющий малый период задержки самовоспламенения (ПЗВ), и его воспламеняемость принята за 100 единиц ЦЧ, и α-метилнафталин, имеющий большой ПЗВ, и его воспламеняемость принята за 0.

Цетановое число – показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный процентному содержанию цетана в смеси с α-метилнафталином, которая по самовоспламеняемости в стандартном двигателе эквивалентна испытуемому топливу.

По сравнению с карбюраторными двигателями дизели не предъявляют столь высоких требований к воспламеняемости топлива, какие предъявляются, например, к детонационной стойкости автобензинов. Товарные дизельные топлива должны иметь ЦЧ в определенных оптимальных пределах. Применение топлив с ЦЧ менее 40 приводит к жесткой работе дизеля и ухудшению пусковых свойств топлива. Повышение ЦЧ выше 50 также нецелесообразно, так как возрастает удельный расход топлива в результате уменьшения полноты сгорания.

Цетановое число дизельного топлива существенно зависит от его фракционного и химического состава. Алканы нормального строения и олефины имеют самые высокие ЦЧ, а ароматические углеводороды – наоборот, самые низкие ЦЧ. Цетановые числа высококипящих фракций нефти, как правило, выше ЦЧ низкокипящих.

Как следует из рассмотрения влияния конструктивных и эксплуатационных факторов и фракционного и химического составов топлив, требования дизелей и карбюраторных двигателей в большинстве случаев противоположны. Противоположны и причины, обусловливающие ненормальную работу этих типов ДВС: топлива с высокой детонационной стойкостью обладают худшей воспламеняемостью.

В ГОСТах многих стран мира, в т.ч. в России, цетановые числа дизельных топлив нормируется в пределах 40–50. При необходимости повышения ЦЧ товарных дизельных топлив, на практике применяют специальные присадки, улучшающие воспламеняемость топлив. Их добавляют к топливу не более 1 % масс., преимущественно к зимним и арктическим сортам. Кроме повышения ЦЧ (на 10–12 единиц), присадка позволяет улучшить пусковые характеристики при низкой температуре и уменьшить нагарообразование.

Испаряемость дизельных топлив. Характер процесса сгорания дизельных топлив определяется, кроме их воспламеняемости, полнотой их испарения. Она зависит от температуры и турбулентности движения воздуха в цилиндре, качества распыливания и испаряемости топлива.

С улучшением качества распыливания и повышением температуры нагрева воздуха скорость испарения впрыскиваемого топлива возрастает (однако степень распыливания не должна быть чрезмерно высокой, чтобы обеспечить необходимую дальнобойность струи). Время, которое отводится на испарение, в дизелях примерно в 10–15 раз меньше, чем в карбюраторных двигателях, и составляет 0,6–2,0 мс. Тем не менее, в дизелях используют более тяжелые топлива с худшей испаряемостью, поскольку испарение осуществляется при высокой температуре в конце такта сжатия воздуха.

Испаряемость дизельных топлив оценивается их фракционным составом. Если пусковые свойства автобензинов определялись t_нк и t_10%, то для дизельных топлив они оцениваются t_50%. Чем ниже эта температура, тем легче запуск дизеля. Этот показатель нормируется 280 °С для летнего и зимнего сортов и 255 °С для арктических дизельных топлив. Считается, что t_нк дизельных топлив должна составить 180–200 °С, поскольку наличие бензиновых фракций ухудшает их воспламеняемость и, тем самым, пусковые свойства, а также повышает пожароопасность. Нормируемая температура t_96% в пределах 330–360 °С свидетельствует о присутствии в топливе высококипящих фракций, которые могут ухудшить смесеобразование и увеличить дымность отработавших газов.

Вязкость дизельных топлив. Топливо в системе питания дизельного двигателя выполняет одновременно и роль смазочного материала. При недостаточной вязкости топлива повышается износ плунжерных пар насоса высокого давления и игл форсунок, а также растет утечка топлива между плунжером и гильзой насоса. Топливо слишком вязкое будет плохо прокачиваться по системе питания, недостаточно тонко распыливаться и не полностью сгорать. Поэтому ограничивают как нижний, так и верхний допустимые пределы кинематической вязкости при 20 °С (в пределах от 1,5 до 6,0 сСт.).

Низкотемпературные свойства. В отличие от бензинов в состав дизельных топлив входят высокомолекулярные парафиновые углеводороды нормального строения, имеющие довольно высокие температуры плавления. При понижении температуры эти углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов различной формы, и топливо мутнеет. Возникает опасность забивки топливных фильтров кристаллами парафинов. Принято считать, что температура помутнения характеризует нижний температурный предел возможного применения дизельных топлив. При дальнейшем охлаждении помутневшего топлива кристаллы парафинов сращиваются между собой, образуют пространственную решетку, и топливо теряет текучесть. Температура застывания – величина условная и используется для ориентировочного определения возможных условий применения топлива. Этот показатель принят для маркировки дизельных топлив на следующие три марки: летнее (t_заст менее –10 °С), зимнее (t_заст менее –35 – –45 °С) и арктическое (t_заст менее –55 °С). Применимы для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив следующие три способа:

1. адсорбционная (цеолитная) или карбамидная депарафинизация;

2. облегчение фракционного состава путем снижения температуры конца кипения топлива;

3) добавление к топливам депрессорных присадок, которые эффективно снижают их температуры застывания.

В качестве депрессоров промышленное применение получили сополимеры этилена с винилацетатом. Поскольку они практически не влияют на температуру помутнения топлив, большинство исследователей считает, что депрессор, адсорбируясь на поверхности образующихся кристаллов парафинов, препятствует их агрегации с формированием объемного каркаса.

Коррозионная активность характеризует способность топлива вызывать коррозию деталей двигателя, топливной аппаратуры, топливопроводов, резервуаров и т.д. Она зависит, как и у бензинов, от содержания в топливе коррозионно-агрессивных кислородных и сероорганических соединений: нафтеновых кислот, серы, сероводорода и меркаптанов. Коррозионная активность дизельных топлив оценивается содержанием: общей серы (менее 0,2 и 0,4–0,5 % масс, для I и II вида соответственно), меркаптановой серы (менее 0,01 % масс.), сероводорода (отсутствие), водорастворимых кислот и щелочей (отсутствие), а также кислотностью (менее 5 мг/КОН/460 мл) и испытанием на медной пластинке (выдерживает). Для борьбы с коррозионными износами деталей дизеля выпускают малосернистые топлива и добавляют к ним различные присадки (антикоррозионные, защитные, противоизносные и др.).

Экологические свойства. По сравнению с автобензинами, дизельные топлива характеризуются значительно меньшей пожароопасностью. Это достоинство является решающим при выборе типа двигателя для установки на том или ином виде техники. Например, из-за меньшей пожароопасности топлива дизели используют на судах речного и морского флота, комбайнах, подводных лодках, на танках, бронетранспортерах и т.д.

Пожароопасность дизельных топлив оценивают по температуре вспышки в закрытом тигле. Для всех марок топлив для быстроходных дизелей она нормируется не ниже 30–35 °С. Для топлив, предназначенных к применению на кораблях, температура вспышки должна быть не ниже 61 °С, а в особо опасных условиях, например, в подводных лодках – не ниже 90 °С.

В зависимости от условий применения установлены следующие марки топлив для быстроходных дизелей: Л (летнее), З (зимнее) и А (арктическое). В стандарт введена следующая форма условного обозначения топлив: к марке Л добавляют цифры, соответствующие содержанию серы и температуре вспышки, например, Л-0,2-40; к марке 3 – содержание серы и температуры застывания, например, 3-0,2-минус 35. В условное обозначение марки топлива А входит только содержание серы, например, А-0,4.

Топлива для тихоходных дизелей. Дизели с небольшой частотой вращения коленчатого вала (менее 1000 об/мин) наиболее широко используют в стационарных установках, что позволяет предварительно провести подогрев, отстой и фильтрацию топлива, и это снижает требования к его эксплуатационным свойствам. Вязкость топлива для тихоходных дизелей значительно выше. Тихоходные дизели обычно работают в закрытых помещениях, поэтому топливо должно иметь более высокую температуру вспышки (65–85 °С). Для тихоходных дизелей выпускается две марки топлива: ДТ и ДМ. Марка ДТ представляет смесь дистиллятных и остаточных продуктов. Его используют в среднеоборотных и малооборотных дизелях, не оборудованных средствами предварительной подготовки топлива. Марка ДМ (мазут) рекомендуется для тихоходных судовых дизелей, установленных в помещениях, оборудованных системой подготовки топлива.