Дизельное топлево

Индукционный период – это интервал времени, в течение которого топливо, находясь в специальном герметически закрытом сосуде в атмосфере чистого кислорода при 0,7МПа и 100˚С, не вступает с кислородом в химические соединения.

Как только начинается падение давления в сосуде индукционный период заканчивается. Вот поэтому по индукционному периоду судят о химической стабильности ДТ, т.е. чем продолжительнее индукционный период топлива, тем выше его химическая стабильность.

Физической стабильностью обладают стандартные дизельные топлива, в которых не содержится летучих и малорастворимых компонентов и примесей, а давление насыщенных паров при 20˚С не превышает 1кПа. Потери топлива при больших и малых «дыханиях» резервуара не превышают 1,5 кг/м3 от паровоздушного пространства.

При горении ДТ образуется нагар, который ухудшает распыл топлива из форсунок.

Наличие нагарообразования существенно зависит от состава топлива, в том числе и от фракционного, с утяжеление которого нагарообразование возрастает. В наибольшей степени нагар образуется при наличии серосодержащих соединений, алкенов, аренов и смол.

Механические примеси также снижают надежность топливной аппаратуры. Опасными механическими примесями является песок, глинозем или частицы льда, при замерзании воды в топливе.

Вода в ДТ ухудшает его смазывающие свойства. Поэтому содержание воды в нефтепродуктах до 0,025% включительно принято называть следами. Однако даже такое ее количество допустимо в летних видах дизельного топлива.

Таким образом, содержание в ДТ механических примесей, воды, мыл нафтеновых кислот и смолистых продуктов окисления характеризуется показателем, называемым коэффициентом фильтруемости. Он определяет чистоту топлив и позволяет оценить содержание в топливе всех видов загрязнения, ограничить их содержание и обеспечить надежную работу топливной аппаратуры.

Автомобильные дизельные топлива

 

Вопросы темы:

 

Свойства и показатели дизельного топлива, влияющие на смесеобразование

1.1 Испаряемость дизельного топлива

1.2 Плотность и поверхностное  натяжение дизельного топлива

Свойства и показатели дизельного топлива, влияющие на самовоспламенение и процесс сгорания

2.1 Воспламеняемость дизельного  топлива

2.2. Цетановое число дизельного топлива

Свойства и показатели дизельного топлива, влияющие на образование отложений и коррозию деталей двигателя

3.1 Коррозийные свойства дизельного  топлива

3.2 Образование отложений в дизельном  двигателе и их причины

3.3 Многофункциональные присадки  и их влияние на свойства  дизельных топлив

1. Свойства и показатели дизельного  топлива, влияющие на смесеобразование

 

1.1 Испаряемость дизельного топлива

 

Испаряемость ДТ оценивается фракционным составом, т.е. температурами t10%, t50%, t96%, t к.п..

В отличие от бензина, фракционный состав ДТ регламентируется только двумя температурами выкипания 50 и 96% топлива. Дело в том, что между температурой выкипания 10% дизельного топлива и работой дизельных двигателей однозначной связи не установлено.

При повышении выкипания 10% топлива, т.е. утяжеления топлива, увеличивается его расход и дымность отработанных газов.

При понижении выкипания 10% топлива, т.е. облегчении топлива, ухудшается пуск двигателя. Почему? Да потому, что легкие фракции имеют худшую самовоспламеняемость, т.е. пусковые свойства дизельный топлив для дизелей, где происходит самовоспламенение от сжатия.

Поэтому пусковые качество ДТ определяются температурой его выкипания 50%.

t50%=255…280˚С

t96%=330…360˚С

Температура выкипания 96% топлива регламентируется содержанием в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов. В зависимости от марки дизельного топлива температуры выкипания t50% и t96% колеблется как указано выше.

Чем выше испаряемость топлива, тем качественнее смесеобразование внутри цилиндров, значит, лучше будет его сгорание.

Поэтому, чтобы качественно было смесеобразование, ДТ нужно тщательно распыливать. Это достигается созданием большой скорости движения топлива через сопла форсунок. Перемешиваясь в среде сжатого горячего воздуха, капли ДТ испаряются, а их пары, перемешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь.

Испаряемость ДТ в эксплуатационных условиях зависит от следующих факторов:

От конструкторских особенностей дизеля;

От формы камеры сгорания;

От конструкции и размера сопловых отверстий форсунок;

От давления топлива;

От направления впрыска топлива.

Все эти факторы влияют на оптимальное перемешивание топлива с воздухом, а значит, и на испаряемость.

Остальные факторы, такие как вязкость, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, имеют такое же значение для испаряемости дизельного топлива, как и у бензинов.

Утяжеление и облегчение фракционного состава дизельного топлива рассматривается как одно из перспективных направлений увеличения ресурсов топлива.

Установлено, что за счет увеличения температуры конца кипения с 360 до 380˚С ресурсы ДТ могут быть увеличены на 3…4%.

 

Плотность и поверхностное натяжение дизельного топлива

 

Плотность ДТ равна 830…860 кг/м3. В эксплуатации повышение плотности топлива с понижением температуры вызывает увеличение его расхода по массе при его объемном дозировании.

Кроме того, это повышает максимальное давление в трубопроводах системы питания. В итоге увеличение плотности приводит к обогащению смеси.

Плотность и поверхностное натяжение ДТ, наряду с вязкостью оказывают влияние на качество распыления. При этом, чем более мелкую структуру капель будет иметь распыленный факел топлива, из форсунки, тем быстрее произойдет переход его в парообразное состояние.

2. Свойства и показатели дизельного  топлива, влияющие на самовоспламенение  и процесс сгорания

 

Воспламеняемость дизельного топлива

 

Воспламеняемость ДТ – это его способность самовоспламеняться внутри цилиндров двигателя, после его впрыска под большим давлением в сжатый и нагретый воздух.

Воспламеняемость ДТ зависит от температуры в очаге воспламенения. При этом мельчайшие капли топлива смешиваются с кислородом, испаряются и начинается процесс сгорания, т.е. самовоспламенение начинается без какого-либо источника зажигания.

Температура самовоспламенения зависит от химического состава ДТ, т.е. от содержания и строения углеводородов, входящих в его состав.

Время между началом впрыска и самовоспламенением называют периодом задержки самовоспламенения.

Весь этот период состоит из:

Из физической составляющей, т.е. из затраченного времени:

на распад топливной струи;

на образование мельчайших капель;

на их нагрев и испарение;

на смешивание их паров с кислородом воздуха.

Из химической составляющей, т.е. из затраченного времени:

на завершение предпламенных реакций;

на формирование очагов самовоспламенения.

Физическая составляющая задержки самовоспламенения зависит от конструктивных особенностей двигателя.

Химическая составляющая зависит от свойств применяемого дизельного топлива.

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что период задержки самовоспламенения у разных топлив неодинаковый. Некоторые ДТ воспламеняются сразу после впрыска, а другие спустя некоторое время.

В первом случае, когда период задержки самовоспламенения небольшой, то в цилиндр двигателя поступает относительно небольшое количество топлива и сгорание происходит с постоянной скоростью и равномерным давлением образовавшихся газов над поршнем.

Парафиновые углеводороды (алканы) входящие в состав молекул ДТ будут менее устойчивы и поэтому они быстро распадаются и окисляются с образованием продуктов неполного окисления. Двигатель при сгорании такого топлива работает мягко и устойчиво, т.к. давление нарастает плавно.

Но если этот период будет сокращаться, то это приводит к ухудшению процесса смесеобразования, и как следствие, к снижению мощности и экономичности двигателя.

Во втором случае, когда период задержки воспламенения больше первого, то в цилиндр успевает поступить большое количество топлива. И оно из-за создавшегося большого давления и температуры в цилиндре, воспламеняется с момента впрыска, т.е. в таком топливе обычно содержатся парафиновые углеводороды изомерного строения, а также ароматические углеводороды. Сгорание носит взрывной характер. Давление повышается мгновенно, скачкообразно, рывками. Это явление напоминает детонацию в бензиновых двигателях.

Такая работа дизельного двигателя называется жесткой, при которой поршень подвергается повышенному ударному воздействию. Механизмы двигателя изнашиваются, снижается его мощность и экономичность, падает КПД.

Вывод:

Исходя из вышесказанного можно утверждать, что период задержки самовоспламенения определяется характером предпламенных процессов окисления (окисей, альдегидов, кетонов). То есть, чем больше в топливовоздушной смеси накопиться продуктов окисления, тем меньше будет период задержки самовоспламенения.

Следовательно, для воспламенения дизельного топлива от сжатия без постороннего источника зажигания необходимо, чтобы температура от которой ДТ самовоспламеняется была бы ниже температуры, до которой нагревается сжатый в цилиндрах воздух (~ 500…550˚С).

Наиболее высокую температуру самовоспламенения имеют арены (~ 600˚С), а наиболее низкую – алканы (до 500˚С).

Поэтому для нормальной работы дизельного двигателя необходимо применять топлива с оптимальной длительностью периода задержки самовоспламенения.

 

Цетановое число дизельного топлива

 

Склонность дизельного топлива к самовоспламенению характеризуется величиной цетанового числа. В топливе присутствуют два углеводорода: цетан C16H34, α-метилнафталин C16H7CH. Самовоспламеняемость первого углеводорода – цетана – условно принята за 100 ед., а второго – за 0 ед. Смешивая их, можно получить смесь с самовоспламеняемостью от 0 до 100 ед.

Таким образом, цетановое число – это условный показатель самовоспламеняемости дизельного топлива, равный процентному содержанию цетана в смеси с α-метилнафталином, которая имеет период задержки самовоспламенения, как и испытуемый образец.

Оптимальное цетановое число ДТ находится в интервале 40…50. Если применять топливо с цетановым числом менее 40, то двигатель будет работать жестко.

Если применять топливо с цетановым числом более 50, то это приведет к увеличению удельного расхода топлива и оно будет сгорать не полностью.

Для работы дизельных двигателей в нормальном режиме требуется топливо, у которого цетановые числа будут: летом – не менее 45 (если будет ниже, то будет жесткая работа двигателя); зимой – 50.

Если летом использовать топливо с цетановым числом выше 45, то двигатель будет работать мягко.

Если использовать ДТ с цетановым числом выше 60, то такое топливо будет нерентабельным, т.к. жесткость работы двигателя будет изменяться незначительно, но удельный расход топлива возрастет. Это объясняется тем, что при повышении цетанового числа выше 55, период задержки самовоспламенения будет настолько коротким, что топливо воспламениться вблизи впрыска из форсунки. Оно не успеет перемешаться с воздухом, и часть воздуха, находящегося дальше от места впрыска не будет участвовать в процессе сгорания. В результате топливо сгорит не полностью и экономичность двигателя понизится.

Для того, чтобы ДТ всегда обеспечивало бы необходимую самовоспламеняемость, поэтому возникает необходимость в повышении цетанового числа.

Для этого существуют два метода:

изменение химического состава топлива, т.е. одновременное увеличение концентрации нормальных парафинов (алканов) СnН2n+2 и уменьшение ароматических углеводородов (аренов) CnH2n-6;

введение специальных кислородсодержащих присадок в дизельное топливо (органических перекисей, сложных эфиров азотной кислоты – этилнитрата, изопропилнитрата, цеклогексилнитрата).

Цетановое число зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в состав дизельного топлива.

Цетановые числа самые высокие у парафиновых углеводородов (алканов), а самые низкие имеют ароматические углеводороды.

Все углеводороды, входящие в состав ДТ по высоте цетанового числа располагаются следующим образом:

1 место занимают – алканы;

2 место занимают – циклоалканы;

3 место занимают – изоалканы;

4 место занимают – арены.

То есть, чем выше место углеводорода, тем будет выше цетановое число топлива.

Таким образом, повышение содержания Н-алканов приводит к увеличению цетанового числа. Однако, Н-алканы имеют высокую температуру кристаллизации, что приводит к ухудшению низкотемпературных свойств дизельного топлива.

Поэтому надежность пуска холодного дизельного двигателя зависит в большей степени от конструкции двигателя и режима пуска, чем от цетанового числа дизельного топлива.

Если температура в камере сгорания будет ниже 350…400˚С, то горючая смесь уже не будет в состоянии самовоспламениться. Для того, чтобы она смогла самовоспламениться, необходимо, чтобы частота вращения коленчатого вала двигателя была 100…120 мин-1. то есть, чем выше пусковая частота вращения коленала, тем выше будет температура сжимаемого воздуха, от которой условия пуска будут возрастать.

Для ускорения процесса самовоспламенения дизельного топлива в него вводят кислородсодержащие присадки, такие как: органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты, которые способствуют выделению активного кислороды. Они, попадая в камеру сгорания, за счет активного кислорода, ускоряют образование перекисей, от разложения которых ускоряется процесс самовоспламенения.