Дизельное топливо

Дизельное топливо — это нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурами кипения 200…350 °С. Выглядит дизельное топливо как более вязкая, чем бензин, прозрачная жидкость желтого или светло-коричневого цвета в зависимости от содержания смол. Дизельное топливо так же, как и бензин, легче воды и практически не растворяется в ней.

Дизельные двигатели в силу особенностей рабочего процесса на 25…30 % экономичнее бензиновых двигателей, что и предопределило их широкое применение. Экономичная работа дизелей достигается главным образом за счет высоких степеней сжатия. Получить дизельное топливо дешевле, чем бензин, поскольку это топливо производят в основном прямой перегонкой.

Для быстроходных автомобильных дизельных двигателей с частотой вращения коленчатого вала более 1000 мин–1 выпускаются топлива на базе керосиновых, газойлевых и соляровых дистиллятов прямой перегонки. Для снижения содержания серы используют гидроочистку и карбамидную депарафинизацию. В силу этого состав дизельных топлив ограничивается в основном алкановыми и циклановыми углеводородами. Непредельных углеводородов в дизельных топливах практически нет. В некоторые сорта дизельных топлив добавляют не более 20 % каталитического газойля с содержанием ароматических углеводородов.

1. Свойства дизельных топлив

К свойствам дизельных топлив, отвечающим всем эксплуатационным требованиям, относятся: фракционный состав и испаряемость, цетановое число, вязкость и плотность, низкотемпературные свойства, склонность к нагарообразованию, противокоррозионные свойства и стабильность, наличие механических примесей и воды, удовлетворение экологических требований.

Фракционный состав топлива определяет его испаряемость (СТБ 1658–2006, ГОСТ 305–82). При облегчении топлива ухудшается пуск дизелей, так как легкие фракции имеют худшую по сравнению с тяжелыми фракциями самовоспламеняемость. Поэтому пусковые свойства дизельных топлив в некоторой степени определяет температура выкипания 50 % топлива (t_{50 %}). Чем эта температура ниже, тем более облегчен фракционный состав данного топлива, тем быстрее и полнее оно испаряется в камере сгорания. Однако после прогрева двигателя до рабочей температуры топливо с облегченным фракционным составом ведет к увеличению периода задержки самовоспламенения и вызывает жесткую работу дизеля.

Температура выкипания 96 % топлива (t_{96 %}) регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработавших газов. Часть топлива в жидком виде стекает по стенкам цилиндра в масляный картер, смывая смазочный материал и повышая износ деталей двигателя. Поэтому чрезмерное утяжеление топлива, как и его облегчение, нежелательно.

Температура начала кипения отечественных дизельных топлив обычно составляет 170…200 °С, величина t_{50 %} равна 255…280 °С, а температура конца перегонки (t_{96 %}) примерно равна 330…360 °С.

Цетановое число — показатель, указывающий скорость нарастания давления при сгорании жидкого нефтяного топлива в поршневых двигателях с воспламенением топливо-воздушной смеси от сжатия, выраженный в единицах эталонной шкалы. Это условный показатель воспламеняемости дизельного топлива, численно равный объемному проценту цетана (н-гексадекана) в эталонной смеси с α-метилнафталином, которая равноценна по воспламеняемости испытуемому топливу.

Воспламеняемость дизельного топлива характеризует его способность к самовоспламенению в камере сгорания. Воспламенение горючей смеси в дизельных двигателях происходит без постороннего источника зажигания. Смесь самовоспламеняется под действием высокой температуры в результате бурно протекающих в ней реакций окисления.

Цетановое число определяется по СТБ ИСО 5165–2002 и ГОСТ 3122–67 на установках ИТ9-3 и ИТ9-3М. Установки имеют одноцилиндровый четырехтактный дизель с переменной степенью сжатия от 7 до 23. При проведении испытаний угол опережения впрыскивания топлива должен быть 13° до верхней мертвой точки, давление впрыскивания — 10,4 МПа. При определении цетанового числа дизельных топлив частота вращения вала одноцилиндрового двигателя должна быть строго постоянной (900 ± 10 мин^–1).

Для определения цетанового числа составляют эталонные смеси. В их состав входят цетан С₁₃Н₃₄ и α-метилнафталин С₁₁Н₁₀. Склонность цетана к самовоспламенению принимают за 100 единиц, α-метилнафталина — за 0 единиц. Цетановое число смеси, составленной из них, численно равно процентному содержанию (по объему) цетана.

Так, если смесь состоит из 30 % цетана и 70 % α-метилнафталина, то считается, что ее цетановое число (ЦЧ) равно 30.

Цетановое число, определяемое по методу совпадения вспышек, обозначается: ЦЧ/СВ, например 45/СВ (СТ СЭВ 2877–81). Цетан относится к нормальным углеводородам парафинового ряда, для которых характерны наиболее быстрый распад и окисление в сжатом воздухе под действием температуры и давления. У него очень небольшой период задержки воспламенения, что обеспечивает мягкую работу двигателя. Представитель углеводородов ароматического ряда α-метилнафталин отличается наибольшим периодом задержки и высокой температурой воспламенения. Поэтому при большом содержании α-метилнафталина (низком цетановом числе) происходит резкое нарастание давления в цилиндре двигателя и жесткая работа дизеля.

Цетановое число дизельного топлива зависит от его химического состава, склонности к окислению. Наиболее быстро окисляются и распадаются парафиновые углеводороды нормального строения. Они имеют самые высокие цетановые числа. Ароматические углеводороды самовоспламеняются при более высоких температурах и за больший промежуток времени, имеют самые низкие цетановые числа.

Цетановое число может быть определено также расчетным путем, например по плотности и кинематической вязкости при температуре 20 °С по формуле

где V₂₀ — кинематическая вязкость при температуре 20 °С; ρ₄²⁰ — плотность топлива при температуре 20 °С.

При известном углеводородном составе цетановое число можно вычислить по формуле

где П, Н, А — содержание соответственно парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов.

По ГОСТ 305–82 цетановое число дизельного топлива должно быть не менее 45. Согласно СТБ 1658–2006 цетановое число должно быть не менее 51 для дизельного топлива, применяемого в условиях умеренного климата, и 47…49 — для дизельного топлива, применяемого в условиях арктического и холодного климата.

Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость топлива. В то же время при использовании топлива с повышенным цетановым числом происходит преждевременное воспламенение топливной смеси, которое снижает экономичность и мощность дизеля, вызывает обильное дымление. Применение топлива с цетановым числом менее 40 обусловливает жесткую работу двигателя (возникает характерный металлический стук, напоминающий детонацию в бензиновом двигателе; вибрация; перегрев поршней и головок цилиндров и др.).

Цетановое число топлива может быть повышено регулированием углеводородного состава или введением в состав топлива специальных присадок. Однако увеличение концентрации нормальных парафинов (цетана) при снижении концентрации ароматических углеводородов ограничено повышенной температурой плавления нормальных парафинов, поэтому их содержание в зимних марках дизельных топлив строго регламентировано. Для повышения цетанового числа дизельного топлива к нему добавляют специальные высокоцетановые присадки: синтин (продукт синтеза окиси углерода и водорода), перекись углеводородов, нитросоединения. Однако они широкого распространения не получили из-за невысокой стабильности при хранении и большой взрывоопасности.

Кислородсодержащие присадки (органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты — этилнитрат, изопропилнитрат и др.) резко снижают период задержки самовоспламенения, который внешне проявляется как работа дизеля на высокоцетановом топливе. Данные присадки ускоряют начальные предпламенные реакции и способствуют образованию новых активных центров реакции. Так, добавление 1 % изопропилнитрата в зимнее, арктическое или низкоцетановое топливо, полученное путем каталитического крекинга, повышает цетановое число на 10…12. Кроме того, эта присадка позволяет улучшить пусковые качества топлива при низкой температуре и уменьшить нагарообразование. Однако производство этих присадок в последнее время сокращено. Специалистами фирмы «Юникол» разработана новая эффективная присадка «Миакрон-2000», основу которой составляет этилгексилнитрат. Массовая доля присадки в дизельном топливе должна быть 0,1…0,3 %.

В соответствии с СТБ 1658–2006 «Топливо дизельное. Технические требования и методы испытаний» нормированию подлежит такой показатель, как цетановый индекс. Минимальное его значение должно составлять 46. Расчет цетанового индекса производится в соответствии с СТБ 4264–2003 «Нефтепродукты. Расчет цетанового индекса средних дистиллятов по уравнению с четырьмя переменными».

Цетановым индексом называется значение, рассчитанное по уравнению с четырьмя переменными. Цетановый индекс не является альтернативным способом выражения цетанового числа; это дополнительный инструмент, который применяется надлежащим образом в отношении ограничений. Цетановый индекс используется для оценки цетанового числа дизельного топлива в тех случаях, когда двигатель при испытаниях недоступен для непосредственного определения данного показателя или когда в наличии имеется проба, не соответствующая требованиям метода с использованием двигателя. В случае, если цетановое число топлива было установлено ранее, цетановый индекс может использоваться для подтверждения цетанового числа других проб данного топлива при условии, что источник получения топлива и способ его производства остаются неизменными.

Сущность метода заключается в следующем. Плотность при температуре 15 °С и температуры, при которых получены 10 %, 50 % и 90 % объема отогнанного продукта (температуры при перегонке), определяют посредством стандартных методов испытаний, а цетановый индекс рассчитывается на основании данных, полученных при испытании, с применением известных соотношений.

Определение цетанового индекса может быть произведено двумя методами. Первый метод заключается в том, что измеренные значения плотности и температуры перегонки 10 %, 50 % и 90 % топлива подставляют в уравнение

где T_10N = T₁₀ – 215; T_50N = T₅₀ – 260; T_90N = T₉₀ – 310; T₁₀ — температура, при которой получено 10 % отгона при перегонке, °С; T₅₀ — температура, при которой получено 50 % отгона при перегонке, °С; T₉₀ — температура, при которой получено 90 % отгона при перегонке, °С; B = [exp(–0,0035D_N)] – 1; D_N = D – 850; D — плотность при температуре 15 °С, кг/м3.

Второй метод заключается в использовании номограмм.

Вязкость и плотность дизельных топлив влияют на процессы испарения и смесеобразования. Эти показатели определяются в соответствии с СТБ ИСО 3104–2003 и СТБ ИСО 3675–2003.

Вязкость — свойство частиц жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению под действием внешней силы. Различают динамическую и кинематическую вязкость. В практических условиях применяется кинематическая вязкость υ, которая равна отношению динамической вязкости η к плотности ρ:

Единица кинематической вязкости в системе СИ — м²/с. На практике применяют меньшую единицу — сантистокс (сСт):

Для топлив различных марок оптимальное значение кинематической вязкости лежит в пределах от 1,5 до 4,5 мм²/с. В соответствии с СТБ 1658–2006 вязкость дизельных топлив для умеренных климатических зон должна составлять 2…4,5 мм²/с, для арктических и холодных климатических зон — 1,2…4 мм²/с в зависимости от класса.

Согласно ГОСТ 305–82 кинематическая вязкость дизельных топлив нормируется при 20 °С и равна: 3…6 мм²/с — для летних топлив; 1,8…5 мм²/с — для зимних топлив; 1,5…4 мм₂/с — для арктических топлив.

Изменение кинематической вязкости приводит к нарушению работы топливоподающей аппаратуры, а также процессов смесеобразования и сгорания рабочей смеси.

При пониженной вязкости топливо вытекает через зазоры в плунжерных парах топливного насоса высокого давления, вследствие чего изменяется его дозировка, уменьшается цикловая подача, снижается давление впрыска, увеличивается нагарообразование. Снижение вязкости топлива ухудшает и его смазочные свойства, что приводит к увеличению интенсивности изнашивания прецизионных плунжерных пар топливного насоса высокого давления, так как их износ определяется физическим состоянием топлива. Кроме того, при этом увеличивается опасность подтекания и просачивания маловязкого топлива и, как следствие, растет его расход. Падение мощности двигателя может быть вызвано снижением цикловой подачи топлива.

Повышенная вязкость топлива приводит к ухудшению качества смесеобразования, при распылении образуются крупные капли и длинная струя с малым углом топливного факела. При этом продолжительность процесса испарения возрастает, топливо сгорает не полностью, увеличивается его расход, повышается нагарообразование, возникает дымление (цвет отработавших газов становится темным). При повышении вязкости с 3 до 8 мм2/с коэффициент подачи топлива увеличивается на 15…16 %.

Более мелкие и однородные по составу капли рабочей смеси улучшают процессы испарения, смесеобразования и сгорания, что характерно для распыления дизельного топлива с кинематической вязкостью 2,5…4,0 мм2/с при температуре 20 °С. Дальнейшее снижение вязкости приводит к уменьшению длины струи топлива (поскольку мелкие капельки обладают малой кинетической энергией), наблюдается неравномерность образования горючей смеси, неполнота сгорания и перерасход топлива. Согласно ГОСТ СТБ 1658–2006 вязкость топлива должна составлять 2…4 мм2/с для умеренного климата и 1,2…4 мм2/с для топлива, применяемого для арктического и холодного климата.

Поскольку с понижением температуры вязкость значительно возрастает, существенно ухудшаются пусковые свойства топлива, особенно в холодное время года.

Повышение плотности топлива сказывается на процессе смесеобразования следующим образом: возрастает длина топливной струи, ухудшается экономичность двигателя и увеличивается дымность. При малой плотности топлива уменьшается длина струи, ухудшается процесс смесеобразования. Поэтому плотность дизельного топлива должна быть оптимальной с учетом сезонности эксплуатации и других факторов и находиться в пределах от 800 до 845 кг/м3.

По СТБ 1658–2006, соответствующему европейскому стандарту EN 590:2004, плотность дизельных топлив определяется при температуре 15 °С и для умеренных климатических зон должна составлять 820…845 кг/м3, для арктических и холодных климатических зон — 800…845 кг/м3 в зависимости от класса.

В соответствии с ГОСТ 305–82 «Топливо дизельное. Технические условия» плотность дизельных топлив различных марок при температуре 20 °С не должна превышать: 860 кг/м3 — для марки Л, 840 кг/м3 — для марки З и 830 кг/м3— для марки А.

Низкотемпературные свойства дизельного топлива являются его важными эксплуатационными характеристиками, связанными с подвижностью топлива при отрицательной температуре, т.е. его способностью поступать из топливного бака к двигателю бесперебойно. В дизельном топливе содержатся растворенные парафиновые углеводороды, которые при понижении температуры кристаллизуются. Выделяющиеся кристаллы могут засорить систему питания двигателя, особенно топливные фильтры. Низкотемпературные свойства оцениваются по значениям предельной температуры фильтрации, температуры помутнения и температуры застывания.

При предельной температуре фильтрации размеры кристаллов твердых углеводородов увеличиваются и они не проходят через фильтры, т.е. текучесть топлива ухудшается.

Температура помутнения — это температура, при которой меняется фазовый состав топлива, так как наряду с жидкой фазой появляется твердая. При этой температуре топливо в условиях испытания начинает мутнеть. При помутнении дизельное топливо не теряет текучести. Размеры кристаллов таковы, что они проходят через элементы фильтров тонкой очистки, образуя на них тонкую парафинистую пленку. Нарушение подачи топлива из-за его помутнения возможно при пуске и прогреве дизеля. Для обеспечения нормальной эксплуатации двигателя необходимо, чтобы температура помутнения дизельного топлива была ниже температуры окружающего воздуха.

Температура помутнения и предельная температура фильтрации топлива характеризуют условия его применения. Если топливо не содержит депрессорных присадок, то предельная температура фильтрации равна температуре помутнения или ниже ее на 1…2 °С.

Температура застывания — это температура, при которой топливо полностью теряет подвижность. Температура застывания ниже температуры помутнения на 5…10 °С. При понижении температуры растущие кристаллы парафиновых углеводородов образуют пространственную решетку, внутри ячеек которой находятся жидкие углеводороды топлива. При температуре застывания топлива кристаллическая структура настолько упрочняется, что топливо теряет текучесть и приобретает студнеобразный вид. Для обеспечения нормальной работы дизельного двигателя необходимо, чтобы температура застывания топлива была на 8…12 °С ниже температуры окружающего воздуха.

Низкотемпературные свойства дизельных топлив улучшают двумя способами: удалением из их состава высокоплавких парафинов нормального строения или добавлением в них депрессорных присадок. На нефтеперерабатывающих заводах температуру помутнения и температуру застывания понижают удалением избытка высокоплавких углеводородов (депарафинизация).

Добавляя депрессорные присадки в количестве сотых долей процента, можно снизить предельную температуру застывания на 15…20 °С. При введении депрессорных присадок температура помутнения топлива не изменяется. Механизм действия депрессорных присадок заключается в модификации структуры кристаллизующихся парафинов, уменьшении их размеров. Низкотемпературные свойства дизельных топлив с депрессорными присадками оценивают по температуре помутнения и предельной температуре фильтрации, а топлив без депрессатора — по температурам помутнения и застывания.

Так, например, депрессорные присадки этилцеллозольва (жидкость «И») и ТГФ-М существенно снижают температуру застывания и предельную температуру фильтруемости и практически не изменяют температуру помутнения. Депрессорная присадка «Аспект-Д» вводится в летние и зимние топлива из расчета 2 г на 1 кг топлива. Присадка обеспечивает бесперебойную работу дизеля до температуры –20 °С, что значительно сокращает время пуска холодного двигателя (присадку следует добавлять в топливо, в котором нет выпавших кристаллов парафина).

Некоторые присадки к дизельным топливам снижают только температуру застывания, но не влияют на температуру фильтруемости, что приводит к образованию в топливных баках двух слоев: верхнего (прозрачного) слоя, обладающего пониженным цетановым числом, и нижнего (мутного), содержащего мелкие кристаллы парафина.

Следует отметить, что дизельного топлива зимних сортов выпускают значительно меньше, чем летних. Нефтеперерабатывающие заводы производят около 11 % зимнего и 1 % арктического дизельного топлива от общего объема. Потребность в зимнем дизельном топливе удовлетворена менее чем на 50 %. Поэтому зимние сорта топлива следует использовать только в холодное время и не допускать их смешивания с летними топливами.

Для снижения температуры застывания дизельных топлив в условиях эксплуатации допускается в виде исключения добавлять керосин в соотношениях, приведенных в табл. 1. С этой целью используют низкозастывающие сорта керосина (типа реактивного топлива) в количестве до 25 %.

При сильном разбавлении дизельного топлива керосином снижается цетановое число, что приводит к жесткой работе двигателя и резкому ухудшению смазочных свойств, в связи с чем повышается износ плунжерной пары. При температуре воздуха от –20 до –30 °С двигатели работают на смеси, состоящей из 90 % дизельного топлива и 10 % керосина, а при температуре от –30 до –35 °С они работают на смеси, состоящей из 75 % дизельного топлива и 25 % керосина. Обычный осветительный керосин непригоден для данной цели, так как имеет плохие низкотемпературные свойства. Температура помутнения осветительного керосина составляет от –12 до –15 °С.

Таблица 1. Объемное содержание керосина в составе дизельного топлива для изменения его низкотемпературных свойств, %

Следует учитывать, что разбавленное керосином дизельное топливо теряет часть своих смазывающих свойств, что приводит к ускоренному изнашиванию деталей топливной аппаратуры. Кроме того, такое топливо более пожароопасное.

Европейский стандарт EN 590 (действующий в странах Европейского экономического сообщества с 1996 г.) и соответствующий ему стандарт СТБ 1658–2006 предусматривают выпуск дизельных топлив для различных климатических регионов. Для районов с умеренным климатом выпускается 6 марок дизельных топлив (А, В, С, D, Е и F), имеющих предельные температуры фильтруемости соответственно +5, 0, –5, –10, –15 и –20 °С. Для районов с холодным и арктическим климатом предусмотрен выпуск 5 классов (0, 1, 2, 3 и 4) дизельного топлива с низкотемпературными свойствами (табл. 2).

Таблица 2. Характеристика дизельных топлив различных классов для районов с холодным климатом (по европейскому стандарту EN 590)

Согласно СТБ 1658–2006 допускается содержание метиловых эфиров жирных кислот (FAME) объемной долей 5 %.

Пример записи в документах и/или при заказе дизельного топлива для умеренного климата с предельной температурой фильтруемости не выше –20 °С, содержанием серы не более 10 мг/кг:

«Топливо дизельное ЕВРО, сорт F, вид I по СТБ 1658–2006».

Пример записи в документах и/или при заказе дизельного топлива для умеренного климата с номинальным значением объемной доли метиловых эфиров жирных кислот (FAME) 5 %, предельной температурой фильтруемости не выше –5 °С, содержанием серы не более 50 мг/кг: «Топливо биодизельное ЕВРО-Б5, сорт С, вид II по СТБ 1658–2006».

Склонность к нагарообразованию — эксплуатационное свойство дизельного топлива, влияющее на чистоту двигателя и топливной аппаратуры. Это свойство зависит от химического и фракционного состава топлива. При сгорании топлива наблюдается нагарообразование на стенках камеры сгорания и впускных клапанах, а также на распылителях и иглах распылителей форсунок. На стенках камеры сгорания, днищах поршней и впускных клапанах образуется плотный твердый нагар темного цвета, а на распылителях и иглах распылителей форсунок — мягкий смолистый нагар желтоватого цвета, иногда в виде светло-коричневой лаковой пленки.

Отложение нагара на стенках камеры сгорания ухудшает отвод теплоты в систему охлаждения двигателя. Наличие нагара на впускных клапанах приводит к их закоксовыванию, в результате чего нарушается правильная посадка тарелки клапана на седло. Происходят утечка раскаленных газов и обгорание посадочных поверхностей клапана и седла, а в отдельных случаях — зависание клапана.

Наибольшие нарушения в работе дизельных двигателей связаны с отложениями нагара на форсунках. Из-за нагара на распылителях ухудшается качество распыления топлива и искривляется факел распыла. При ухудшении распыления топлива нарушается смесеобразование, происходит неполное его сгорание, что приводит к дымлению, снижению мощности дизеля и повышенному расходу топлива.

Выпадение смолистых отложений на иглах распылителей способствует их зависанию. Закоксовывание сопел и зависание игл распылителей сопровождаются подтеканием топлива, так как в этом случае иглы не садятся на уплотняющие конусы распылителей и не перекрывают их каналы. При подтекании топлива также наблюдается снижение мощности и экономичности дизеля, его дымление.

Нагарообразование в двигателе зависит от следующих параметров применяемого дизельного топлива: содержания фактических смол и серы, фракционного состава, количества непредельных и ароматических углеводородов, зольности и коксуемости. С увеличением содержания фактических смол в топливе увеличивается нагарообразование на деталях двигателя, закоксовывание отверстий распылителей и зависание игл. Повышение содержания серы в топливе приводит при его сгорании к увеличению нагара и лака, причем плотность нагара значительно возрастает.

С увеличением зольности и коксуемости дизельного топлива растет его склонность к нагарообразованию. Зольность характеризует содержание в топливе несгораемых примесей, которые выпадают в нагар, увеличивая его абразивные свойства.

Коксуемость — это свойство топлива при нагревании без доступа воздуха образовывать углистый осадок (кокс). Коксуемость определяют для 10%-ного остатка после предварительной перегонки дизельного топлива. Коксуемость 10%-ного остатка топлива зависит от его фракционного состава и содержания асфальтосмолистых соединений. Для дизельного топлива различных марок коксуемость составляет 0,2…0,3 %.

Противокоррозионными свойствами дизельные топлива должны обладать для обеспечения минимального коррозионного разрушения деталей двигателя. Причины коррозионной агрессивности дизельных топлив те же, что и у бензинов: наличие в их составе сернистых соединений, водорастворимых кислот и щелочей, а также органических кислот.

При производстве дизельных топлив из сернистых нефтепродуктов получают газойлевые и соляровые дистилляты с содержанием серы до 1,0…1,3 %. Серу из дистиллятов удаляют каталитическим способом, позволяющим снизить ее содержание до 0,2…0,5 %. Повышенное до 0,6 % содержание серы в топливах приводит к увеличению износа гильз цилиндров и поршневых колец в среднем на 15 %, а повышение содержания серы до 1 % ускоряет этот процесс в 1,5 раза. Ужесточающиеся нормативы для дизельного топлива требуют снижения содержания серы в нем. Так, согласно нормам EN 590, действовавшим с 1993 по 1996 гг., серы в дизельном топливе должно было быть не более 0,5 %. Нормами EN 590, действующими с 2000 г., и принятым в Республике Беларусь СТБ 1658–2006 установлено содержание серы на уровне, не превышающем 0,035 % (350 мг/кг). Ужесточенные требования EN 590, действующие с 2009 г., ограничивают содержание серы на уровне 10…50 мг/кг.

Содержание органических кислот в дизельном топливе характеризует кислотность топлива, которая должна быть не более 5 мг KОН в 100 см3 топлива. Повышение кислотности топлива приводит к увеличению коррозионного износа плунжерных пар топливного насоса высокого давления и росту отложений.

Из активных сернистых соединений (элементарная сера, меркаптановая сера, сероводород) наибольшей коррозионной агрессивностью обладает меркаптановая сера.

Установлено, что общий износ деталей двигателя приблизительно прямо пропорционален содержанию серы в дизельном топливе. При температуре охлаждающей жидкости в двигателе ниже 70 °С возрастает степень коррозионного износа, поскольку увеличивается образование серной кислоты. Продукты сгорания топлива, содержащие сернистый и серный ангидриды, проникают через неплотности цилиндропоршневой группы в картер, где образуют с водой серную и сернистую кислоты. Смешиваясь с маслом, кислоты ухудшают его качество, в частности антикоррозионные свойства, вызывают быстрое старение. Химическому износу подвергаются вкладыши подшипников, шейки коленчатых валов и другие детали. Особенно сильной коррозии подвержены вкладыши из свинцовистой бронзы.

В результате действия сернистых продуктов на картерное масло получаются смолистые соединения, которые затем образуют нагар. При наличии сернистых соединений увеличивается нагаро- и лакообразование в цилиндропоршневой группе. Из-за содержания серы нагар становится твердым, что приводит к абразивному изнашиванию цилиндропоршневой группы. Отложение лака в зоне поршневых колец ведет к их закоксовыванию и заклиниванию. Сернистые соединения в топливе способствуют также увеличению отложений на масляных фильтрах тонкой и грубой очистки.

Смазывающая способность дизельных топлив определяет срок службы плунжерной пары насоса высокого давления. В глубокоочищенных дизельных топливах с низким содержанием серы смазывающая способность значительно снижается. В этом случае требуется добавка в топливо противоизносных присадок.

Содержание в топливах меркаптановой серы не должно превышать 0,01 % (норма по ГОСТ 305–82). При повышении массовой доли меркаптановой серы до 0,06 % коррозионный износ плунжерных пар и деталей форсунок увеличивается в 2 раза. Поэтому при производстве дизельных топлив обязательно проводят их коррозионные испытания медной пластинкой. Если медная пластинка выдерживает испытания, то коррозионная агрессивность топлива отсутствует. Общая массовая доля серы в товарных дизельных топливах составляет 0,2…0,5 %.

Кроме того, учитывая высокую коррозионную агрессивность и низкую химическую стабильность меркаптанов, помимо испытания на медную пластинку (качественная оценка) содержание в производимом топливе меркаптановой серы определяют еще и потенциометрическим методом.

Для улучшения экологии крупных населенных пунктов нашей страны предполагается снизить в топливах массовые доли серы (до 10…50 мг/кг) и ароматических углеводородов (до 8 %). Перспективные показатели качества дизельного топлива за рубежом следующие: в США содержание серы не более 0,003 %, ароматических углеводородов — не более 2 %; в Европе — соответственно не более 0,005 и 0,003 %.

Водорастворимые кислоты и щелочи могут остаться в дизельном топливе после очистки серной кислотой или щелочью на нефтеперерабатывающем заводе. Водорастворимые кислоты вызывают коррозию всех металлов, а водорастворимые щелочи — алюминия, поэтому присутствие даже следов этих соединений в топливе недопустимо.

Минеральные кислоты и щелочи обнаруживают по реакции водной вытяжки. Присутствия водорастворимых кислот и щелочей в дизельных топливах не допускается.

Наличие воды и механических примесей в дизельном топливе служит одной из главных причин отказов топливной аппаратуры. Вода и механические примеси могут попадать в топливо, начиная от пути следования его из нефтезавода до использования в двигателе. При наличии в дизельном топливе механических примесей происходит засорение фильтрующих элементов, ускоренный износ топливоподающей аппаратуры. При понижении температуры из воды, находящейся в топливе, образуются кристаллы льда, которые забивают фильтрующие элементы, что уменьшает подачу топлива в двигатель.

Согласно ГОСТ 305–82 содержание механических примесей и воды недопустимо. Однако в связи с «чувствительностью» метода оценки содержания механических примесей (ГОСТ 6370–83, СТБ ИСО 12662–2010) и воды (ГОСТ 2477–65, СТБ ИСО 12937–2003) за отсутствие загрязнений принимается содержание в топливе механических примесей до 0,005 % (ГОСТ 6370–83) или до 24 мг/кг (СТБ ИСО 12662–2010) и воды до 0,02…0,03 % (по массе). Содержание воды в нефтепродуктах до 0,025 % включительно называют следами.

Большинство механических примесей имеют высокую твердость и вызывают повышенный износ деталей двигателя. Особенно вредны примеси для топливных насосов высокого давления, насосов-форсунок, форсунок. В прецизионных парах зазор составляет 1,5…3 мкм, поэтому даже небольшое количество механических примесей, размер которых соизмерим с зазором плунжерных пар, вызывает их интенсивное изнашивание.

Механические примеси в дизельном топливе повышают смолообразование, вызывают засорение системы топливоподачи, увеличивают количество отложений и нагара на форсунках, в камере сгорания и на других элементах, ухудшая надежность и долговечность системы топливоподачи, значительно увеличивая расход топлива и дымность отработавших газов. При использовании засоренного топлива срок службы топливной аппаратуры сокращается в 5–6 раз.

Перед заправкой в бак машины топливо должно отстаиваться не менее 10 дней. Чистота различных слоев топлива при этом будет неодинаковой. Даже при 10-дневном отстое в нижних слоях остаются мельчайшие частички механических примесей, представляющие наибольшую опасность для топливной аппаратуры (табл. 3). Тракторы и автомобили необходимо заправлять топливом верхних слоев. Содержание механических примесей в дизельном топливе не допускается.

Таблица 3. Осаждение механических примесей из дизельного топлива в резервуаре диаметром 2 м при температуре 20 °С

Не разрешается использовать топливо, содержащее воду, так как она приводит к нарушениям в работе двигателя, невозможности его пуска, повышенной коррозии, увеличению нагарообразования.

Чистоту дизельного топлива оценивают по коэффициенту фильтруемости (ГОСТ 1906–73), который определяет эффективность и надежность работы двигателя, особенно его топливной аппаратуры. Коэффициент фильтруемости определяется как отношение времени фильтрования через фильтр из бумаги БФДТ при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива к времени фильтрования первой. На фильтруемость топлива влияет наличие в нем механических примесей, воды, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот. Для дизельного топлива различных марок коэффициент фильтруемости колеблется от 2 до 3.

В результате микробного поражения топлива возможен отказ двигателей из-за засорения топливопроводов и топливных фильтров. В дизельном топливе встречаются 45 видов различных бактерий и около 20 видов различных грибков. Топлива загрязняются в резервуарах и трубопроводах, которые попеременно используют для различных нефтепродуктов. Микробное загрязнение топлива особенно часто происходит в резервуаре, на дне которого присутствует вода. Заражение дизельного топлива осуществляется путем проникновения бактерий и грибков извне с воздухом и водой или вследствие контакта с зараженным ранее топливом. Микроорганизмы распространяются вдоль поверхности раздела вода — топливо и живут в воде, питаясь топливом.

По мере развития бактерий и грибков качество топлива резко ухудшается, происходят неблагоприятные изменения топлива, которые вызывают его помутнение, микробиологическую коррозию, образование осадка, засорение фильтров и трубопроводов, разложение присадок и добавок.

Помутнение топлива происходит из-за повышения содержания в нем воды вследствие образования побочных продуктов жизнедеятельности микробов — поверхностно-активных веществ, которые увеличивают растворимость воды в топливе. Микробиологическая коррозия происходит в результате выделения бактериями сероводорода, который растворяется в топливе и вызывает сильную точечную коррозию топливных баков и трубопроводов. Микроорганизмы оседают на дне резервуаров и образуют слой, который способствует микробиологической коррозии. Осадок загрязняется жизнеспособными микробами и грибками и служит постоянным источником инфицирования. Различные добавки и присадки в дизельном топливе, особенно содержащие азот и фосфор, усваиваются микроорганизмами, и их эффективность снижается.

Для обеззараживания дизельного топлива и профилактики его заражения разработана добавка на основе производных изотиазолона и др.

2. Экологические требования к дизельному топливу

Основными показателями качества, ответственными за экологические последствия выбросов отработавших газов дизелей, являются:

• массовая доля серы;
• массовая доля ароматических углеводородов, связанная с цетановым числом дизельного топлива;
• фракционный состав, характеризующий пределы выкипания топлива.

В табл. 4 приведены действующие, а также перспективные отечественные и зарубежные требования к дизельным топливам по ряду экологических показателей.

Анализируя табл. 4, можно заметить, что отечественные требования к дизельному топливу не менялись четверть века, а зарубежные постоянно обновляются и ужесточаются.

Таблица 4. Нормы экологических показателей дизельных топлив

* При температуре 15 °С.

** Предложение Германии (BMW) — не более 10 %, США — не более 5 %.

В последнее время наблюдается резкое ужесточение требований к качеству дизельных топлив и, несмотря на различие в спецификациях разных стран, четко прослеживается тенденция к снижению содержания серы. Лидером в этом движении является Швеция, которая в 1991 г. ввела спецификацию на дизельное топливо классов I и II, предусматривающую содержание серы 10 и 50 мг/кг соответственно, предоставив налоговые льготы производителям и потребителям этого топлива.

За Швецией последовали США, где в октябре 1993 г. был введен стандарт CARB (Калифорнийского Совета по контролю над воздушной средой), ограничивающий содержание серы в дизельном топливе. Начиная с 1998 г. нефтеперерабатывающие заводы США перешли на производство дизельных топлив с содержанием серы 50 мг/кг.

Европейский стандарт EN 590 за последние годы также претерпел существенные изменения: с 0,2 % до 0,001 % снизилось содержание серы, увеличено цетановое число с 45 до 51, введены ограничения на плотность и вязкость — 2,0…4,5 при 40 °С, что соответствует 2,7…6,5 мм2/с при 20 °С. Введены новые показатели: содержание полициклических ароматических углеводородов, смазывающие свойства и окислительная стабильность — и установлены нормы на эти показатели. Содержание ароматических углеводородов для большинства товарных дизельных топлив, выпускаемых отечественной промышленностью, составляет 23…28 %. Колебания состава ароматических углеводородов зависят от природы перерабатываемой нефти, их компонентного состава и технологии производства топлив. Для удовлетворения экологических требований массовая доля ароматических углеводородов должна быть не более 10 %.

Изготовители автомобилей обсуждают дальнейшее ужесточение требований к качеству дизельных топлив, предлагая снижение содержания серы и полициклических ароматических углеводородов.

Содержание серы в дизельном топливе определяет количество выбросов образующегося в отработавших газах диоксида серы (табл. 5). В 1996 г. в Европе было введено ограничение на содержание серы в дизельных топливах до 0,05 %.

Таблица 5. Количество выбросов диоксида серы при сжигании 1 т дизельного топлива

С 2005 по 2010 гг. введены еще более жесткие нормы на содержание серы — до 10 мг/кг, а на полициклические ароматические углеводороды — до 2 %.

В приложении 12 приведены действующие на территории Таможенного союза требования к экологическим классам дизельного топлива (ТР ТС 013/2011). В Республике Беларусь требования к качеству дизельного топлива будут ужесточаться быстрее, чем в России и Казахстане. До 2016 г. все страны Таможенного союза должны будут выпускать дизельное топилво с минимальным содержанием серы и полициклических ароматических углеводородов.

3. Влияние свойств топлива и присадок на долговечность и качество работы дизельного двигателя

Эксплуатационные свойства дизельных топлив в значительной степени определяют качество работы и долговечность дизельных двигателей. Улучшение свойств топлив достигается путем введения в их состав многофункциональных присадок.

Присадки делятся на следующие группы:

• инициирующие присадки (например, изопропилат), которые повышают цетановое число на 8…12. Их добавляют в количестве 0,25…2 % по массе;
• противодымные присадки (например, ацетонитрил, метиланилин, сульфонат бария). Добавляются в количестве 0,25…0,5 % по массе;
• антиокислители (например, 2,6-дитретбутил-4-метилфенол, N-фенил-N-изопропилфенилендиамин). Добавляются в количестве 0,002…0,1 % по массе;
• деактиваторы металлов (например, N,N-десалицилиденэтилендиамин). Добавляются в количестве 0,003…0,005 % по массе;
• присадки, предотвращающие образование нерастворимых продуктов окисления (например, нафтенаты и сульфонаты бария и кальция). Добавляются в количестве 0,025…0,1 % по массе;
• антикоррозионные присадки (например, масляный раствор окисленного петролатума и сульфоната кальция). Добавляются в количестве 0,003…0,005 % по массе;
• депрессорные присадки, понижающие температуру застывания (например, полиметакрилаты, сополимеры этилена с винилацетатом). Добавляются в количестве 0,01…2 % по массе.

Применение антидымных присадок МСТ-15, АДП-2056, ЭФАП-6 в концентрации 0,2…0,3 % позволяет снизить дымность отработавших газов на 40…50 %.

Разрушающее действие кислот нейтрализуют добавлением в моторные масла для дизельных двигателей противокоррозионных присадок, из которых наиболее эффективен нафтенат цинка (0,25…0,3 %). Дизельные топлива с содержанием серы более 0,2 % применяют только при условии, что в двигателе применяется масло с противокоррозионной присадкой.

Многофункциональные присадки для дизельных топлив, состоящие из депрессорного, моющего и противодымного компонентов, не только расширяют низкотемпературные свойства топлив, но и снижают токсичность отработавших газов. Введение присадки АДДП в дизельное топливо в количестве 0,05…0,3 % снижает температуру застывания топлива на 20…25 °С. Предельная температура фильтруемости при этом снижается на 10…12 °С, дымность отработавших газов — на 20…55 %, а нагарообразование — на 50…60 %.

В приложении 11 приведены потребительские свойства некоторых присадок и добавок в дизельные топлива.

4. Ассортимент дизельных топлив

В зависимости от типа двигателя дизельные топлива имеют различную маркировку. Топлива, применяемые в двигателях с воспламенением от сжатия, подразделяются на три группы. К первой группе относятся топлива для быстроходных дизелей, среди которых различают марки ДА, ДЗ, ДЛ, ДС. Ко второй группе принадлежат дизельные топлива для автотракторных, тепловозных и судовых двигателей, они имеют маркировку А, С, З, Л. Третью группу составляют топлива для среднеоборотных дизелей, их маркировка — ДТ и ДМ. Все дизельные топлива, выпускаемые в нашей стране в соответствии с действующим стандартом, предназначены для использования в дизельных двигателях, которые установлены на тракторах, тепловозах, морских и речных судах, тяжеловесных грузовых автомобилях.

В соответствии с ТР ТС 013/2011 дизельное топливо может быть следующих марок: Л — летнее, применяемое при температурах окружающего воздуха 0 °С и выше; З — зимнее, применяемое при температурах до –20 °С; А — арктическое, температура применения которого до –38 °С; Е — межсезонное, температура применения которого до –15 °С.

В соответствии с ТР ТС 013/2011 обозначение дизельного топлива включает группы знаков, расположенные в определенной последовательности через дефис. Первая группа: буквы ДТ, обозначающие дизельное топливо для автомобильных дизельных двигателей. Вторая группа: буквы Л (летнее), З (зимнее), А (арктическое) или Е (межсезонное), обозначающие климатические условия применения. Третья группа: символы К2, К3, К4, К5, обозначающие экологический класс дизельного топлива.

В табл. 6 приведены требования к качеству дизельных топлив по стандарту EN 590. В настоящее время отечественные нефтеперерабатывающие заводы выпускают топливо, соответствующее EN 590:2009, включая изменение к нему А1:2010.

Таблица 6. Требования к качеству дизельных топлив по EN 590

Требования к качеству дизельного топлива за рубежом приведены в приложении 13.

В настоящее время российской нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизельное топливо по ГОСТ 305–82 трех марок: Л — летнее, применяемое при температурах окружающего воздуха 0 °С и выше; З — зимнее, применяемое при температурах до –20 °С (в этом случае зимнее дизельное топливо должно иметь температуру замерзания менее –35 °С и температуру помутнения менее –25 °С), или зимнее, применяемое при температурах до –30 °С (температура замерзания менее –45 °С и температура помутнения менее –35 °С); А — арктическое, температура применения которого до –50 °С. Содержание серы в дизельном топливе марок Л и З не превышает 0,2 % для I вида топлива и 0,5 % для II вида топлива; марки А — 0,4 %. Для удовлетворения потребности в дизельном топливе по согласованию с потребителем разрешаются выработка и применение топлива с температурой застывания 0 °С без нормирования температуры помутнения.

В соответствии с ГОСТ 305–82 принято следующее условное обозначение дизельного топлива: летнее топливо заказывают с учетом содержания серы и температуры вспышки (Л-0,2-40), зимнее — с учетом содержания серы и температуры застывания (З-0,2-минус 35). В условное обозначение на арктическое дизельное топливо входит только содержание серы: А-0,2.

Дизельное топливо (ГОСТ 305–82) получают компаундированием прямогонных и гидроочищенных фракций в соотношениях, обеспечивающих соблюдение требований стандарта по содержанию серы. В качестве сырья для гидроочистки нередко используют смесь среднедистиллятных фракций прямой перегонки и вторичных процессов, чаще — прямогонного дизельного топлива и легкого газойля каталитического крекинга. Содержание серы в прямогонных фракциях в зависимости от перерабатываемой нефти колеблется в пределах 0,8…1,0 % (для сернистых нефтей), а содержание серы в гидроочищенном компоненте — от 0,08 до 0,1. Дизельное экспортное топливо ТУ 38.401-58-110–94 вырабатывают для поставок на экспорт. Содержание серы в нем 0,2 %.

Исходя из требований к содержанию серы, дизельное экспортное топливо получают гидроочисткой прямогонных дизельных фракций. Для оценки его качества по требованию заказчиков определяют дизельный индекс (а не цетановое число, как принято ГОСТ 305–82). Кроме того, вместо определения содержания воды и коэффициента фильтруемости экспресс-методом устанавливают прозрачность топлива при температуре 10 °С.

В настоящее время производство высококачественных дизельных топлив невозможно без добавки присадок различного функционального назначения, таких как депрессорные, цетаноповышающие, антидымные, моющие, антиокислительные, диспергирующие, ингибиторы коррозии, противоизносные и многие другие. При составлении многофункциональных пакетов присадок учитывают их совместимость, поскольку различные поверхностно-активные вещества могут влиять на функциональные свойства друг друга.