Зависимость фракционного состава современных дизельных топлив от температуры

Дизельные топлива

Дизельные двигатели, в силу особенностей рабочего процесса, на 25...30 % экономичнее бензиновых двигателей, что и предопределило их широкое применение. В настоящее время они устанавливается на большинство грузовых автомобилей и автобусов, а также на часть легковых.

Эксплуатационные требования к дизельным топливам:

•бесперебойная подача топлива в систему питания двигателя;

•обеспечение хорошего смесеобразования;

•отсутствие коррозии и коррозионных износов;

•минимальное образование отложений в выпускном тракте, камере сгорания, на игле и распылителе форсунки;

•сохранение качества при хранении и транспортировке. Наиболее важными эксплуатационными свойствами дизельного топлива являются его испаряемость, воспламеняемость и низкотемпературные свойства.

Условия смесеобразования в дизеле существенно отличаются от бензинового двигателя. В дизелях рабочая смесь образуется за 20-40° поворота коленчатого вала и составляет 0,001-0,004 с, что примерно в 10-15 раз меньше времени, отводимого на испарение в карбюраторном двигателе. Испарение в дизеле происходит при высокой температуре 600-800°С, при давлении 3,0-50 МПа в конце такта сжатия воздуха. При ограниченном времени однородная качественная горючая смесь может быть получена только при хорошем распыливании и испаряемости топлива.

Испаряемость дизельных топлив в настоящее время оценивается только фракционным составом.

Фракционный состав современных дизельных топлив изменяется в широком интервале температур (табл.11).

Таблица 11

Единичные показатели фракционного состава нормируются по-разному в зависимости от состава и предназначения топлива.

Для топлив, включающих бензиновые фракции или газовые конденсаты, с целью ограничения количества легких фракций и улучшения воспламеняемости нормируются температуры начала перегонки и 10 % выкипания. Для топлив с улучшенными экологическими характеристиками нормируется температура выкипания 96 % или конца кипения. Испаряемость топлив из прямогонных соляровых фракций оптимизируется двумя точками фракционного состава: 50 % и 90 % выкипания.

В связи с тем, что при атмосферном давлении трудно определить температуру конца кипения или 96 % выкипания, в некоторых стандартах определяют температуру перегонки 90 % или 85 % топлива.

Характеристики фракционного состава дизельного топлива оценивают не только испаряемость топлива и качество смесеобразования, но и другие эксплуатационные свойства: воспламеняемость, склонность к образованию отложений и др.

Облегчение фракционного состава, т. е. снижение температуры начала перегонки и 10 % выкипания, а также снижение температуры перегонки 96 %, кроме жесткой работы двигателя затрудняет его пуск и прогрев из-за увеличения теплоты испарения топливовоздушной смеси, снижения температуры в камере сгорания и возрастания периода задержки воспламенения легких углеводородов по сравнению с тяжелыми [2].

Утяжеление фракционного состава, т. е. повышение температуры выкипания 90 % и 96 %, приводит к неполному испарению топлива в процессе смесеобразования, и снижению теплоты сгорания тяжелых углеводородов по сравнению с легкими, и ухудшению экономичности двигателя. Несгоревшие тяжелые фракции топлива, стекая по стенкам цилиндра, смывают масло и увеличивают износ цилиндро-поршневой группы, а также вызывают разжижение масла в картере двигателя. Тяжелые фракции дизельного топлива положительно влияют на его воспламеняемость за счет снижения температуры самовоспламенения нестабильных тяжелых углеводородов.

Таким образом, недостаточную самовоспламеняемость легких фракций в дизельном топливе в определенной степени можно компенсировать хорошей самовоспламеняемостью тяжелых фракций углеводородов алканового строения.

Исходя из этого, перспективным решением топливной проблемы дизелизации автомобильного парка является использование единого дизельного топлива с температурой начала кипения 60-80°С и температурой перегонки 90% -360°С.

Воспламеняемость дизельного топлива характеризует его способность к самовоспламенению в камере сгорания. Это свойство в значительной мере определяет подготовительную фазу процесса сгорания - период задержки воспламенения, который, в свою очередь, складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешение паров топлива с воздухом (физическая составляющая), а также времени, необходимого для завершения предпламенных реакций и формирование очагов самовоспламенения (химическая составляющая).

Физическая составляющая времени задержки воспламенения зависит от конструктивных особенностей двигателя, а химическая - от свойств применяемого топлива. Длительность периода задержки воспламенения существенно влияет на последующее течение всего процесса сгорания. При большой длительности периода задержки воспламенения увеличивается количество топлива, химически подготовленного для самовоспламенения. Сгорание топливовоздушной смеси в этом случае происходит с большей скоростью, что сопровождается резким нарастанием давления в камере сгорания. В этом случае дизель работает «жестко».

«Жесткость» работы оценивают по нарастанию давления на 1° поворота коленчатого вала (KB). Двигатель работает мягко при нарастании давления 2,5...5,0 кгс/см² на 1⁰ поворота KB, жестко - при 6...9 кгс/см², очень жестко - при нарастании давления более 9 кгс/см². При жесткой работе поршень подвергается повышенному ударному воздействию. Это ведет к повышенному износу деталей кривошипно-шатунного механизма, снижает экономичность двигателя.

Склонность дизельных топлив к самовоспламенению оценивают по цетановому числу (ЦЧ).

ЦЧ - это условный показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный объемному проценту цетана в эталонной смеси с альфаметилнафталином, которая равноценна по воспламеняемости испытуемому топливу.

Для определения ЦЧ составляют эталонные смеси. В их состав входят цетан и а-метилнафталин. Склонность цетана к самовоспламенению принимают за 100 единиц, а альфаметилнафталина -за 0 единиц. Цетановое число смеси, составленной из них, численно равно процентному содержанию (по объему) цетана.

Оценку самовоспламеняемости дизтоплива производят аналогично методу оценки детонационной стойкости бензинов. Образец сопоставляется с эталонными топливами на одноцилиндровых двигателях ИТ-9.

Самовоспламеняемость диз. топлива влияет на их склонность к образованию отложений, легкость пуска и работу двигателя. Для современных быстроходных дизелей применяются топлива с ЦЧ=45...50. Применение топлив с ЦЧ ниже 40 ведет к жесткой работе двигателя. Повышение ЦЧ выше 50 нецелесообразно, так как из-за малого периода задержки самовоспламенения топливо сгорает, не успев распространиться по всему объему камеры сгорания. При этом воздух, находящийся далеко от форсунки, не участвует в горении, поэтому топливо сгорает не полностью. Экономичность дизеля ухудшается, наблюдается дымление.

ЦЧ влияет на пусковые качества дизтоплива. При высоких ЦЧ время пуска снижается, особенно при низких температурах.

ЦЧ может быть повышено двумя способами: регулированием углеводородного состава и введением специальных присадок.

1-й способ. В порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются следующим образом: нормальные парафины - изопарафины - нафтены -ароматические. ЦЧ можно существенно повысить, увеличивая концентрацию нормальных парафинов и снижая содержание ароматических.

2-й способ более эффективен. Вводят специальные кислородосодержащие присадки - органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты и др. Эти присадки являются сильными окислителями и способствуют зарождению и развитию процесса горения. Пример:

добавление 1 % изопропилнитрата повышает ЦЧ на 10...12 единиц. Кроме того, эта присадка улучшает пусковые качества при низкой температуре и снижает нагарообразование.

Низкотемпературные свойства. При низких температурах высокоплавкие углеводороды, прежде всего нормальные парафины, кристаллизуются. По мере понижения температуры дизельное топливо проходит через три стадии; вначале мутнеет, затем достигает так называемого предела фильтруемости и, наконец, застывает. Связано это с тем, что сначала в топливе появляются разрозненные кристаллы, которые оседают на фильтрах и ухудшают подачу топлива. При дальнейшем охлаждении теряется подвижность нефтепродуктов вследствие образования из кристаллизующихся углеводородов каркаса.

Показатели, характеризующие начало кристаллизации углеводородов в топливе и потерю их подвижности, стандартизованы.

Температурой помутнения называют температуру, при которой дизтопливо теряет прозрачность в результате выпадения кристаллов углеводородов и льда. Бесперебойная работа двигателя обеспечивается при температуре помутнения топлива на 5...10°С ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется автомобиль.

Температурой застывания называют температуру, при которой диз. топливо теряет подвижность, что определяют в стандартном приборе, наклоненном под углом 45° к горизонтали, в течение 1 мин. Дизель работает бесперебойно при температуре застывания топлива на 5...10°С ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется автомобиль.

На нефтеперерабатывающих заводах температуру помутнения и температуру застывания понижают удалением избытка высокоплавких углеводородов (депарафинизация).

В эксплуатации такого же эффекта добиваются добавлением реактивного топлива. Например, при добавке 25 % топлива Т-1 температура застывания летнего дизтоплива снижается на 8...12 °С.

Низкотемпературные свойства дизельного топлива могут быть улучшены путем добавления присадок-депрессаторов (присадка "А", АзНИИ-ЦИАТИМ-1, полиметакрилат "Д").

Ассортимент дизельных топлив:

•ДЛ - дизельное летнее - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже 0 ⁰С;

•ДЗ - дизельное зимнее - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже –30 ⁰С;

•ДА - дизельное арктическое - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха не ниже -50 ⁰С [5].

В 1999 г. Европейским Комитетом по Стандартизации (CEN) принят стандарт "Моторные топлива для двигателей внутреннего сгорания - дизель - требования и методы испытаний" prEN 590, регламентирующий требования и методы испытаний, относящиеся к реализуемому на рынках автомобильному дизельному топливу. В соответствии с prEN 590 определены общие нормы для автомобильного дизельного топлива (табл. 12). Кроме этого, дизельные топлива подразделяются на 6 сортов в зависимости от климатических условий применения для умеренного климата и 5 классов для арктического климата (табл. 13).

Таблица 12

Дата добавления: 2014-01-15