Для того, чтобы обеспечить надежную, экономичную и долговечную работу дизельного двигателя, топливо должно отвечать следующим требованиям:
1. хорошо прокачиваться для бесперебойной и надежной работы топливного насоса высокого давления (ТНВД);
2. обеспечивать тонкий распыл и хорошее смесеобразование;
3. полностью сгорать, не образуя сажистых веществ, чтобы двигатель легко пускался и "мягко" работал;
4. не вызывать повышенного нагарообразования на клапанах, кольцах и поршнях, закоксовывания форсунки и зависания иглы распылителя;
5. не вызывать коррозии резервуаров, топливопроводов, деталей двигателя;
6. при сгорании выделять как можно большее количество тепла и быть стабильным (не менять свойства при длительном хранении).
Соответствие дизельного топлива (ДТ) перечисленным требованиям зависит от его физико-химических свойств.
Вязкость - сопротивление, которое оказывают частицы жидкости их взаимному перемещению под действием внешней силы. Различают вязкость динамическую и кинематическую.
Кинематическая вязкость нефтепродуктов измеряется в сантистоксах сСт [10-6м2/с или 1 мм2/с].
Различные ДТ имеют значение кинематической вязкости при 20° С от 1,5 до 6,0 сСт. 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, ДТ 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.
Вязкость ДТ понижается с повышением температуры и наоборот. Изменение вязкости оказывает существенное влияние на пусковые свойства, особенно в холодное время года. Чем выше вязкость, тем хуже пуск двигателя. Летние сорта ДТ уже при минус 3...7° С загустевают, становятся малоподвижными. Зимние сорта сохраняют подвижность до более низкой температуры (-30...35° С). Вязкость летнего топлива для быстроходных двигателей должна находиться в пределах 3,0...6,0; для зимнего 1,8...6,0; для арктического 1,5...4,0 сСт.
Низкотемпературные свойства. Оцениваются температурами помутнения, началом кристаллизации и застывания.
При постепенном охлаждении топливо из прозрачного становится мутным. Внешний вид его меняется из-за выпадения твердых углеводородов. Температурой помутнения называют такое значение температуры, при которой теряется фазовая однородность топлива. Постепенно при дальнейшем охлаждении количество твердой фазы увеличивается, кристаллы растут. Температуру, при которой в топливе появляются первые кристаллы, видимые невооруженным глазом, называют температурой начала кристаллизации. Температура полной потери подвижности называется температурой застывания. Для летних сортов дизельного топлива температура помутнения должна быть не выше -5° С, а для зимних - 25...30° С. Если в топливе содержится вода, то оно помутнеет около 0° С.
Использовать топливо можно только при температуре окружающего воздуха выше точки помутнения. Температура застывания должна быть, по крайней мере, на 10° С ниже возможной температуры эксплуатации. Если применять зимой летнее топливо, то выпадающие кристаллы будут забивать систему питания дизеля.
Фракционный состав ДТ определяют так же, как и бензинов. Его оценивают по трём характерным точкам кривой перегонки: температуру выкипания 10, 50 и 90%, соответственно, Т10%, Т50% и Т96%. Значение Т10% характеризует наличие в топливе лёгких фракций, т.е. качество пуска. Значение Т50% характеризует приёмистость работы дизеля (ниже Т50% - лучше испаряемость – приёмистость).
Температура Т96% регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность ОГ. Значение 96% не должна быть выше 340...360° С.
С фракционным составом топлива тесно связана температура вспышки, при которой пары нефтепродукта с воздухом образуют горючую смеь, вспыхивающую при поднесении огня. Определяют температуру вспышки в специальном приборе закрытого типа. Современные ДТ имеют довольно низкую температуру вспышки (35...40° С).
Механические примеси и вода. К механическим примесям относятся все посторонние органические и минеральные частицы находящиеся в топливе. Наибольший вред приносят абразивные загрязнения кристаллического строения - кварциты и глиноземы с высокой твердостью, которые вызывают износ деталей топливной аппаратуры. Прецизионные пары топливных насосов высокого давления имеют зазоры 1,5...2,5 мкм. Даже небольшое количество механических примесей, проходящих с топливом, будет вызывать абразивный износ плунжерных пар.
Анализ большого количества проб дизельного топлива, отобранного по пути следования от завода – изготовителя до заправочного бака автомобиля, показывает, что на каждом этапе происходит загрязнение топлива. По этой причине в бензобак попадает топливо, содержащее до 0,03...0,05% механических примесей. Для обеспечения долговечной работы двигателя ДТ перед заправкой машины необходимо фильтровать. Фильтрующими элементами снабжены все автоматические заправочные агрегаты. Возможна и дополнительная очистка.
Помимо механических примесей, в топливе может накапливаться вода. Кристаллы льда, образующиеся из нее при отрицательной температуре, забивают топливные фильтры двигателя, систему питания. Кроме того, нарушается работа фильтрующих устройств механических заправочных средств, в результате чего в бак попадает нефильтрованное топливо. По этой причине наличие воды в ДТ недопустимо. Проверить обводненность можно внешним осмотром: при наличии воды топливо мутное.
Химический состав. Как и в бензиновом двигателе, интенсивность накопления смолистых веществ, лаковых отложений, нагаров в первую очередь зависит от качества используемого топлива. Для дизелей характерно закоксовывание отверстий распылителей форсунок, в результате ухудшается распыл топлива, снижается его подача. Нагары и лаковые отложения образуются в камере сгорания на клапанах и т.п.
В стандартах нормируется ряд показателей качества, которые влияют на образование высокотемпературных отложений: содержание фактических смол, коксуемость, зольность, иодное число, содержание серы, механические примеси.
Количество фактических смол определяют выпариванием 10 мл топлива в струе пара при температуре 225° С. В зимних сортах допускается до 30, а в летних до 40 мг фактических смол на 100 см3 топлива. Если количество смол соответствует требованиям стандарта, то обеспечивается надежная работа дизеля. Когда содержание смол в 2...3 раза больше нормы, моторесурс двигателя снижается на 40...50%.
Коксовое число - это способность топлива образовывать углистый осадок при высокотемпературном (800...900° С) разложении без доступа воздуха. Количество кокса зависит от глубины очистки топлива, главным образом от асфальто-смолистых соединений. Коксуемость увеличивается при повышенной вязкости и тяжелом фракционном составе. В соответствии со стандартом коксовое число не должно быть больше 0,03%. Это величина небольшая, поэтому чаще определяют коксуемость 10% остатка топлива после разгонки. В этом случае допустимое значение будет в 10 раз больше - не выше 0,3%.
Зола представляет собой минеральный осадок, образующийся после сжигания топлива в воздухе при температуре 800...850° С. Зола не только участвует в образовании нагаров, но и повышает износ двигателя. Ее количество не должно превышать 0,01%.
Количество малостабильных углеводов в ДТ определяют иодным числом - содержанием иода в граммах, вступающего в реакцию со 100 мл топлива. Иод активно реагирует с непредельными (малостабильными) углеводородами.
Коррозионная агрессивность. В ДТ, как и в бензинах, но в большем количестве, содержатся сернистые соединения, которые условно относят к так называемой активной сере (меркаптаны, сероводород, элементарная сера). Все они при сгорании образуют оксиды серы. Эти продукты при высокой температуре оказывают коррозионное воздействие на металлы, находясь в газовой фазе, а при низкой температуре растворяются в капельках воды, конденсирующихся из продуктов сгорания, с образованием серной или сернистой кислот.
Чувствительность дизелей к серной коррозии зависит от их теплонапряженности. Форсированные быстроходные дизели более подвержены коррозии, чем тихоходные. При повышении теплонапряженности наблюдается более интенсивная газовая коррозия тарелок выпускных клапанов, верхней части цилиндров, ВКК. При снижении температуры этот вид коррозии уменьшается.
При значительном снижении теплового режима (особенно во время пуска и прогрева двигателя в холодное время года) пары воды, образующиеся при сгорании водорода топлива, конденсируются на холодных деталях двигателя. Оксиды серы, растворяясь в воде, образуют сернистую и серную кислоты, которые обладают большим корродирующим действием. Чем больше прорыв газов в картер двигателя и выше содержание серы в топливе, тем сильнее износ от жидкостной коррозии. Большое влияние на ее появление оказывает режим работы двигателя. В малонагруженных двигателях, когда температура охлаждающей жидкости низка, возникают условия для конденсации паров воды и проявления жидкостной коррозии. При этом больше разрушаются вкладыши подшипников. Тракторные дизели, обычно работающие с высокой нагрузкой, более подвержены газовой коррозии; автомобильные, особенно при работе в городских условиях (движение с небольшой скоростью, частые остановки), - жидкостной.
Таким образом, износ деталей находится в прямой зависимости от содержания серы в топливе.
При увеличении содержания серы в ДТ с 0,2% до 0,5% износ повышается на 20...25%, а при использовании высокосернистых топлив (до 1%) износ ускоряется почти вдвое.
Стойкость к воспламенению. Склонности ДТ к воспламенению и жесткость работы дизеля оценивается цетановым числом (ЦЧ). Для его определения по длительности периода задержки воспламенения пользуются установкой с одноцилиндровым двигателем - ИТ 9-3. Двигатель с переменной степенью сжатия работает с постоянной частотой вращения коленчатого вала (900 об/мин) при впрыске топлива под давлением 106 атм за 13 градусов до ВМТ.
Сущность определения воспламеняемости ДТ по методу совпадения вспышек заключается в сравнении испытываемого образца топлива с эталонными топливами, воспламеняемость которых известна. В качестве эталонов приняты два углеводорода. Первый - цетан С16Н34 - нормальный углеводород парафинового ряда, имеет очень небольшой период задержки воспламенения и обеспечивает мягкую работу двигателя. Его ЦЧ принимается за 100 ед. Вторым углеводородом является a -метилнафталин С10Н17СН3 - ароматического ряда, который очень трудно окисляется и воспламеняется, имеет большой период задержки воспламенения, вызывает жесткую работу дизеля. Условно его цетановое число принято за 0 ед.
Оценка воспламеняемости ДТ проводится следующим образом. При работе установки на испытуемом топливе изменением степени сжатия двигателя добиваются такого положения, чтобы при начале впрыска за 13 градусов до ВМТ сгорание смеси начиналось ровно в ВМТ. Затем подбирают такую смесь цетана и a -метилнафталина, которая при этой же степени сжатия обладает таким же периодом задержки воспламенения. Процентное (по объему) содержание цетана в такой смеси и есть ЦЧ испытуемого топлива.
Достаточно точным и оперативным является расчётно-экспериментальный метод оценки ЦЧ ДТ (ошибка не более ± 3%), для этого используется формула:
(6.9)
где Т ср – средняя температура, равная полусумме температур начала и конца перегонки, 0С; ρ15 – плотность ДТ при 150С, кг/м3.
Значение ЦЧ определяет не только характер протекания процесса сгорания при установившейся работе, но и пусковые качества топлива. Если оно ниже 40 ед., то запустить холодный двигатель не только зимой, но и в летнее время трудно. Нормальный пуск и мягкая работа дизелей в летнее время обеспечивается топливом с ЦЧ около 45 ед., а в зимнее - 50 ед. Более высокие значения ЦЧ для дизелей существующих конструкций не нужны, так как это повышение уже не сказывается заметно на улучшении рабочего процесса.
Топливо для быстроходных дизелей с требуемым ЦЧ получают главным образом подбором сырья и технологией его переработки. Однако в некоторых случаях для повышения эксплуатационных свойств добавляют специальные вещества (присадки), которые улучшают процесс сгорания, повышая ЦЧ на 16...20 ед. Наиболее распространен при получении зимних сортов ДТ изопропилнитрат (при введении 1,0% по массе ЦЧ повышается на 17 ед.).
В зависимости от условий применения для быстроходных автомобильных дизелей установлены три марки дизельного топлива, согласно ГОСТ 305-82:
Л (летнее) - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0° С и выше;
З (зимнее) - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха -20...30° С.
А (арктическое) - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха -50° С.
Нередко обозначение ДТ встречаются в совокупности с цифровыми символами. У летнего топлива после “Л” цифры обозначают процент серы в топливе и температуру вспышки; у зимнего и арктического топлива – процент серы и температуру застывания. Например, “Л-0,1-40” или “З-0,2-35”.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
