Дизельное топливо

Дизельное топливо – продукт фракционирования нефти с температурами кипения от 140 ºС до 360 ºС. В него также могут вводиться добавки, улучшающие его эксплуатационные свойства – температуру застывания, предельную температуру фильтруемости и другие. ºС

Дизельные топлива являются основным видом топлива для поршневых двигателей с воспламенением топливовоздушной смеси от сжатия.

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.

Динамическая вязкость η – представляет собой коэффициент внутреннего трения. Измеряется в Н∙с/м2. Сила внутреннего трения между двумя слоями жидкости определяется уравнением

(7)

где S – площадь слоя;

dv/dx – градиент скорости сдвига слоёв жидкости в направлении, перпендикулярном движению;

η – динамическая вязкость.

Кинематическая вязкость ν – удельный коэффициент внутреннего трения. Между динамической и кинематической вязкостью существует зависимость

(8)

То есть, кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости к плотности жидкости.

Кинематическая вязкость нефтепродуктов измеряется в сантистоксах сСт, или 10^-6 м²/с, или мм²/с.

Различные ДТ имеют допустимые значения кинематической вязкости при 20 ºC в интервале от 1,5 до 6,0 сСт. Понижение или повышение вязкости от нормируемой приводит к нарушению работы топливоподающей аппаратуры, нарушаются процессы смесеобразования, неполностью сгорает топливо. 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. Вязкость летнего топлива для быстроходных двигателей должна находиться в пределах 3,0-6,0 сСт. У зимнего топлива вязкость нормируется от 1,8 до 5,0 сСт, для арктического от 1,5 до 4,0 сСт. Летние сорта ДТ уже загустевают при температуре -3…-7 ºC и становятся малоподвижными. Зимние сорта сохраняют подвижность до более низкой температуры (-30…-35 ºС), арктическое топливо застывает при температуре ниже -55 ºС. Низкотемпературные свойства. Оцениваются температурами помутнения, застывания, предельной температурой фильтруемости.

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 ºC, а для зимних -25…-35 ºС. Если в топливе содержится вода, то оно помутнеет около 0 ºС.

Использовать топливо можно только при температуре окружающего воздуха выше точки помутнения. Температура застывания должна быть, по крайней мере, на 10 ºC ниже возможной температуры эксплуатации. Если применять зимой летнее топливо, то выпадающие кристаллы будут забивать систему питания дизеля. Температура, при которой этот процесс начинает происходить в стандартных условиях, имитирующих прокачивание топлива через фильтр, называется предельной температурой фильтруемости. У летнего дизтоплива предельная температура фильтруемости должна быть не выше минус 5 ºС.

Фракционный состав ДТ определяют так же, как и бензинов. Его оценивают по трём характерным точкам графика зависимости количества конденсата от температуры кипения разгонки: температуру выкипания 10, 50 и 90% топлива, соответственно, Т_10%, Т_50% и Т_90%. Значение Т_10% характеризует наличие в топливе лёгких фракций, т.е. качество пуска. Значение Т_50% характеризует приёмистость работы дизеля (при понижении Т_50% будет лучше испаряемость – приёмистость).

Температура Т_90% регламентирует содержание в топливе наиболее тяжелых фракций, увеличение которых ухудшает смесеобразование, снижает экономичность, повышает нагарообразование и дымность отработанных газов. Значение 90% не должно быть выше 330-360 ºC для разных марок топлива.

С фракционным составом топлива тесно связана температура вспышки, при которой пары нефтепродукта с воздухом образуют горючую смесь, вспыхивающую при поднесении источника пламени (нагретая металлическая спираль) или определяют температуру вспышки в специальном приборе закрытого типа. Современные ДТ имеют температуру вспышки не менее 30 ºC у арктического, не менее 40 ºC у летнего.

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. По этой причине наличие воды в ДТ недопустимо. Проверить обводненность можно внешним осмотром: при наличии воды топливо мутное, вода скапливается на дне емкостей – канистр, баков и т. п.

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, йодное число, содержание серы, механические примеси.

Количество фактических смол определяют выпариванием 10 мл топлива в струе пара при температуре 225 ºС. 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 ºС) 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 0,2-0,3% для различных марок топлив.

Зола представляет собой минеральный осадок, образующийся после сжигания топлива в воздухе при температуре 800…850 ºС. 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 йодным числом – содержанием йода в граммах, вступающего в реакцию со 100 мл топлива. Йод 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). Сернистые соединения и продукты сгорания при высокой температуре оказывают коррозионное воздействие на металлы, находясь в газовой фазе, а при низкой температуре растворяются в капельках воды, конденсирующейся 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. 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.

С введением технического Регламента для топлив норма на содержание серы в топливах уменьшается минимум в десять раз.

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 (верхняя мертвая точка).

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 α-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 α-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 расчётноэкспериментальный метод оценки ЦЧ ДТ (ошибка не более ± 3%), для этого используется формула

(2.9)

где Т_ср – средняя температура, равная полусумме температур начала и конца перегонки

ρ₁₅ – плотность ДТ при 15 ºС, 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.).

Характеристики дизельных топлив представлены в табл. 8.

Таблица 8

Характеристики дизельного топлива (ГОСТ 305–82)

Цетановое число для высокооборотных дизелей колеблется от 35 до 50. Для малооборотных дизелей в качестве топлива используют мазут.

Мазут – это остаток после отгона из нефти топливных фракций: лигроина, бензина, керосина и дизельного топлива, в своём составе содержит различные смолы, асфальтены, кокс и другие соединения. Мазут применяется также в качестве топлива для паровых котлов, промышленных печей, газовых турбин. Значительная часть мазута перерабатывается в более легкое моторное топливо, а также в масла и битум.

Ассортимент дизельных топлив.

Нефтеперерабатывающей промышленностью, в зависимости от условий применения, для быстроходных автомобильных дизелей вырабатывается дизельное топливо по ГОСТ 305-82 трёх марок:

• Л – летнее, применяемое при температурах воздуха выше 0 ºC;
• З – зимнее, применяемое при температурах до -20 ºC;
• А – арктическое, температура применения, которого до -50 ºC.

В соответствии с ГОСТ 305-82 принято условное обозначение дизельного топлива: летнее топливо заказывают с учётом содержания серы и температуры вспышки (Л-0,2-40), зимнее – с учётом содержания серы и температуры застывания (З-0,2-минус 35). В условное обозначение на арктическое дизельное топливо входит только содержание серы: А-0,2. Содержание серы в дизельном топливе марок Л и З не превышает 0,2% – для I вида топлива и 0,5 – для II вида топлива, а марки А – 0,4%.

Дизельное топливо (ГОСТ 305-82) получают компаундированием прямогонных и гидроочищенных фракций в соотношениях, обеспечивающих требования стандарта по содержанию серы. В качестве сырья для гидроочистки нередко используют смесь среднедистиллятных фракций прямой перегонки и вторичных процессов, чаще прямогонного дизельного топлива и лёгкого газойля каталитического крекинга.

Содержание серы в прямогонных фракциях в зависимости от перерабатываемой нефти колеблется в пределах 0,8-1,0% (для сернистой нефти), а содержание серы в гидроочищенном компоненте – от 0,08 до 0,1%.

Все выпускаемые дизельные топлива проходят обязательное подтверждение соответствия качества в соответствии с Техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту» Постановление Правительства РФ от 27 февраля 2008 г.

№118 (с изменениями от 7 сентября 2011 г.).Требования Технического регламента к характеристика дизельного топлива, в зависимости от класса приведены в Приложении 2. В соответствии с Техническим регламентом выпуск в оборот дизельного топлива на территории РФ допускается в отношении:

• класс 2 – допускался до 31 декабря 2012 г.;
• класса 3 – до 31декабря 2014 г;
• класса 4 – до 31 декабря 2015 г.;
• класса 5 – срок не ограничен.

Дизельное экспортное топливо (ТУ 38.401-58-110-94) – вырабатывают для поставок на экспорт, содержание серы 0,2% (табл. 2.9) в соответствии с Техническим регламентом Таможенного Союза.

Исходя из требований к содержанию серы, дизельное экспортное топливо получают гидроочисткой прямогонных дизельных фракций.

Таблица 9

Характеристики дизельного экспортного топлива (ТУ 38.401-58-110-94)

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 ºС.

Зимние дизельные топлива с депрессорными присадками (табл. 10)

Таблица 10

Характеристики зимних дизельных топлив с депрессорными присадками

С 1981 г. вырабатывают зимнее дизельное топливо марки ДЗп по ТУ 38.101889-81. Получают его на базе летнего дизельного топлива с t_п = -5 ºС. Добавка сотых долей присадки обеспечивает снижение предельной температуры фильтруемости до -15 ºС, температуры застывания до -30 ºС и позволяет использовать летнее дизельное топливо в зимний период времени при температуре до -15 ºС.

Для применения в районах с холодным климатом при температурах — 25 и -45 ºC вырабатывают топлива по ТУ 38.401-58-36-92. Согласно техническим условиям получают две марки топлива: ДЗп-15/-25 (базовое дизельное топливо с температурой помутнения -15 ºC, товарное – с предельной температурой фильтруемости -25 ºС) и арктическое дизельное топливо ДАп -35/-45 (базовое топливо с температурой помутнения -35 ºC, товарное — с предельной температурой фильтруемости -45 ºС).

Экологически чистое дизельное топливо выпускают по ТУ 38.1011348 — 89. Технические условия предусматривают выпуск двух марок летнего (ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ) и одной марки зимнего (ДЗЭЧ) дизельного топлива с содержанием серы до 0,05% (вид I) и до 0,1% (вид II).

С учётом ужесточающихся требований по содержанию ароматических углеводородов введена норма по этому показателю: для топлива марки ДЛЭЧ-В – не более 20%, для топлива марки ДЗЭЧ – не более 10%. Экологически чистые топлива вырабатывают гидроочисткой дизельного топлива, допускается использование в сырье гидроочистки дистиллятных фракций вторичных процессов.

Основное отличие городского дизельного топлива от экологически чистого – улучшенное качество благодаря использованию присадок: летом — антидымной, зимой – антидымной и депрессорной. Добавка присадок в городское дизельное топливо снижает дымность и токсичность отработавших газов дизелей на 30-50%.

Депрессорные присадки, улучшающие низкотемпературные свойства топлива представляют собой, в основном, сополимеры этилена с винилацетатом зарубежного производства.

Европейский стандарт EN 590 действует в странах Европейского экономического сообщества с 1996 г. Стандарт предусматривает выпуск дизельных топлив для различных климатических регионов. Общими для дизельных топлив являются требования по температуре вспышки – не ниже 55 ºС, коксуемости 10% остатка – не более 0,30%, зольности – не более 0,01%, содержанию воды – не более 200 млг, механических примесей – не более 24 млг, коррозии медной пластинки – класс 1, устойчивости к окислению – не более 25 г осадка/м3. В 1996 г. в Европе введены ограничения на содержание серы в дизельных топливах – не более 0,05%. Таким требованиям отвечают отечественные ТУ 38.1011348-89.

Чтобы избежать несвоевременного снижения долговечности и надежности работы дизельного двигателя автомобилей импортного производства, а также не вызвать неоправданного увеличения затрат на дизельное топливо, необходимо правильно подобрать его марку. Соответствие отечественных и зарубежных марок дизельных топлив приведено в табл. 11.

Таблица 11

Соответствие отечественных и зарубежных марок дизельных топлив