Современные требования к качеству дизельных топлив. Основные требования к дизельному топливу. Свойства и показатели дт, влияющие на подачу и смесеобразование

Дизельные топлива (ДТ) предназначены для дизелей и являются нефтяными фракциями, выкипающими при температуре от 200 до 350 °С.Дизельное Топливо - жидкое топливо для использования в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия;

Эксплуатационные требования к дизельным топливам. Дизельные топлива должны обеспечит:

– бесперебойную подачу топлива как из бака к топливной аппаратуре, так и в цилиндры двигателя;

– надежное смесеобразование, т.е. обладание оптимальными вязкостью, плотностью, фракционным составом, поверхностным натяжением и давлением насыщенных паров;

– хорошую воспламеняемость, что обеспечивает мягкую работу двигателя, полное сгорание без образования сажи и особо токсичных и канцерогенных продуктов в отработавших газах;

– минимальное образование нагара и отложений в зоне распылителей форсунок и в камере сгорания;

– минимальную коррозионную активность;

– возможно большую физическую стабильность при длительном хранении и транспортировке;

– невысокую токсичность.

2. Свойства и показатели дт, влияющие на подачу и смесеобразование

На подачу топлива в двигатель существенно влияютнизкотемпературные свойства дизельных топлив, а также его физическая и химическая стабильность, наличие механических примесей и воды .

На смесеобразование оказывает влияниевязкость, плотность, поверхностное натяжение, испаряемость (фракционный состав) и давление насыщенных паров топлив .

Если вязкость топлива слишком высокая, то оно будет с трудом проходить через фильтры, форсунки и т.д. Низкая вязкость ДТ ухудшает смазывание плунжерной пары насоса высокого давления и уменьшает цикловую подачу топлива. Кроме того, от вязкости зависит качество распыления.

Для определения вязкости дизельных топлив используют вискозиметры (например ВПЖ-4).

ДТ-Л-К4(К5), Сорт C

Низкотемпературные свойства

Низкотемпературные свойства характеризуются температурой помутнения, предельной температурой фильтруемости и температурой застывания .

Температура помутненения – это наивысшая температура, при которой топливо теряет прозрачность. При этом топливо не теряет своей текучести.

Температура застывания –это наивысшая температура, при которой топливо теряет свою текучесть.

Предельная температура фильтруемости – это температура, при которой топливо при охлаждении в соответствующих условиях способно еще проходить через фильтр с установленной скоростью.

Низкотемпературные свойства можно улучшить, удалив из топлива часть парафиновых углеводородов, т.е. депарафинизацией. Однако следует помнить, что при депарафинизации удаляются высокоцетановые компоненты и снижается цетановое число дизельного топлива.

Второй путь - добавление в дизельные топлива депрессорных присадок , которые существенноснижают температуру застывания и предельную температуру фильтруемости топлив и практически не влияют на температуру помутнения. В качестве депрессорных присадок используются присадки полимерного типа.

В зависимости от климатических условий применения по предельной температуре фильтруемое для дизельного топлива умеренных климатических зон установлено шесть сортов, для арктических и холодных климатических зон - пять классов.

Предельные значения цетанового числа классов топлив для арктического и холодного климата, приведенные в таблице 5, ниже значений для сортов топлив для умеренного климата, приведенных в таблице 3, что отражает зависимость воспламенения от плотности и более низкие значения плотности классов топлив для арктического и холодного климата.

Таблица 4 – Сорта топлива для умеренного климата

Таблица 5 - Арктический и холодный климат

Наличие воды и механических примесей

Топливная аппаратура современных дизельных автомобилей предъявляет высокие требования к чистоте применяемых топлив. В них не должно содержаться механических примесей и воды. При транспортировке, хранении и заправке велика вероятность попадания в топливо механических примесей. Это может быть атмосферная пыль и влага, продукты коррозии, микроорганизмы.

ДТ-Л-К4(К5), Сорт C

ДТ-З-К5, класс 2 («Арктика») по СТБ 1658-2012

Плотность и поверхностное натяжение.

С повышением плотности увеличивается дальнобойность факела, снижается экономичность и растет дымность отработавших газов.

Степень распыливания топлива полностью зависит от поверхностного натяжения : размер капель прямо пропорционален величине поверхностного натяжения. С утяжелением фракционного состава топлив, с повышением их плотности поверхностное натяжение возрастает. Для дизельных топлив поверхностное натяжение составляет 0,027-0,030 Н/м.

Свойства и показатели ДТ, влияющие на самовоспламенение и процесс сгорания

Цетановое число - показатель, характеризующий воспламеняемость дизельного топлива, выраженный в единицах эталонной шкалы

Цетановое число - это показатель воспламеняемости дизельного топлива; численно равный объемному процентуцетана С 16 Н 34 в его смеси сальфа-метилнафталином С 10 Н 7 СН 3 , которая по самовоспламеняемости аналогична испытуемому топливу. Для определения цетановых чисел составляют эталонные смеси. В их состав входят цетан и альфа-метилнафталин. Склонность цетана к самовоспламенению оценивают в 100 единиц, альфа-метилнафталина - в 0 единиц. Если смесь, например, состоит из 30% цетана и 70% альфа-метилнафталина, то принято считать, что ее цетановое число равно 30.

Температура самовоспламенения ипериод задержки воспламенения зависят от содержания и строения углеводородов, входящих в состав топлива. Цетановые числа парафиновых углеводородов (алканов) самые высокие, причем наибольшие цетановые числа имеют соединения нормального строения.

При цетановом числе ниже 45 дизели работают жестко (происходит нарастание давления до 0,6…0,9 МПа при повороте коленчатого вала на 1)°, особенно зимой, а выше 45 – мягко. Однако использовать топлива с цетановым числом выше 60 нерентабельно, так как жесткость работы при этом изменяется незначительно, а удельный расход топлива возрастает. Последнее объясняется тем, что при повышении ЦЧ свыше 55 период задержки воспламенения (время с момента начала подачи топлива в цилиндр двигателя до начала горения) настолько мал, что топливо воспламеняется вблизи форсунки, и воздух, находящийся дальше от места впрыска почти не участвует в процессе сгорания. В результате топливо сгорает не полностью, снижается экономичность двигателя.

ДТ-Л-К4(К5), Сорт C, Сорт F

ДТ-З-К5, класс 2 («Арктика») по СТБ 1658-2012.

Повышение цетанового числа ДТ достигается двумя способами : изменением химического состава и введением специальных присадок.

При первом способе одновременно увеличивают концентрацию в топливе нормальных парафинов и уменьшают содержание ароматических углеводородов. Однако нормальные парафины имеют высокую температуру кристаллизации, поэтому рост их концентрации приводит к ухудшению низкотемпературных свойств ДТ.

Введение в ДТ специальных кислородсодержащих присадок способствует легкому выделению активного кислорода. К таким присадкам относятсяорганические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты .

В международной практике для характеристики воспламеняемости топлива наряду с цетановым числом используют цетановый индекс , который можно определить по номограммам в зависимости от плотности иt 50 . Для дизельного топлива, выпускаемого поEN-590 цетановое число составляет не менее 51,0, а цетановый индекс – не менее 46,0.

Коррозионные свойства ДТ

Коррозионная агрессивность дизельных топлив ограничивается стандартами на дизельные топлива по следующим показателям

Свойства ДТ, влияющие на образование отложений

Нагарообразование в двигателе зависит от следующих параметров дизельного топлива: содержание фактических смол и серы, фракционного состава, количества непредельных и ароматических углеводородов, зольности и коксуемости.

С повышением содержания фактических смол в дизельном топливе склонность к нагарообразованию возрастает.

Склонность к нагарообразованию возрастает при увеличении содержания в дизельном топливе ароматических углеводородов.

Нагарообразование и отложения на деталях двигателя зависят от коксуемости топлива и содержания в нем золы.

Коксуемость определяется процентным соотношением количества образовавшегося твердого остатка (кокса) после коксования (разложения без доступа воздуха при температуре 800...900 °С) навески топлива в специальном приборе

Зольность топлива характеризует содержание в нем несгораемых примесей. Содержание золы повышает нагарообразование. Попадая в масло, зола вызывает ускоренный износ деталей.

ДТ-Л-К4(К5), Сорт C, Сорт F

Дизельное биотопливо на основе рапсового масла

Дизельное биотопливо - сложный метиловый эфир жирных кислот (МЭЖК или по-английски FAME) с качеством дизельного топлива, производимый из масла растительного происхождения, и используемый в качестве биотоплива.

Как показывают исследования, использование биотоплива не снижает ресурс двигателя. В то же время оно более агрессивно, чем дизельное топливо нефтяного происхождения, по отношению к резиновым деталям автомобиля. Поэтому необходимо адаптировать соответствующие части автомобиля к дизельному биотопливу.

Согласно СТБ 1657-2006 (ЕН 14214:2003) «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME) для дизельных двигателей. Технические требования и методы испытаний» в зависимости от климатических условий применения по предельной температуре фильтруемости для FAME, используемых в качестве топлива в умеренных климатических зонах, установлено шесть сортов (А, В, С, D, Е и F) (табл. 2), а в арктических и холодных климатических зонах - пять классов (0, 1, 2, 3, 4) (табл. 3).

Рисунок 1 - Схема производства дизельного биотоплива

Смесевое дизельное биотопливо.

Согласно СТБ 1658-2006 «Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Топливо дизельное. Технические требования и методы испытаний» предусматривается производство смесевых дизельных биотоплив с содержанием МЭЖК, не превышающим 5 % .

В зависимости от климатических условий применения по предельной температуре фильтруемости для смесевого дизельного топлива умеренных климатических зон установлено шесть сортов: А, В, С, D, Е и F, арктических и холодных климатических зон - пять классов: 0, 1, 2, 3, 4.

Для применения в условиях Республики Беларусь пригодны смесевые дизельные топлива сортов В, С и F.

Дизельное биотопливо является экологически наиболее чистым из всех видов широко используемых в настоящее время моторных топлив. При его применении снижается дымность отработавших газов и выброс окислов азота на 20...22 %. В выбросах отсутствуют окись углерода (угарный газ), углеводороды и соединения серы, что дает возможность устанавливать нейтрализаторы отработавших газов. Кроме того, биотопливо, попадая во внешнюю среду, полностью распадается в течение 10... 15 суток на неагрессивные по отношению к природным объектам компоненты. К тому же биотопливо относится к возобновляемым источникам топлива.

В соответствии с Техническим регламент Таможенного союза ТР ТС 013/2011 допускается содержание в дизельном топливе не более 7% (по объему) метиловых эфиров жирных кислот(т.е. в маркировке это не указывается)

В соответствии с СТБ 1658-2012 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Топливо дизельное. Технические условия» допускается

Марки дизельных топлив

В соответствии с Техническим регламент Таможенного союза ТР ТС 013/2011 Обозначение дизельного топлива включает следующие группы знаков, расположенных 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), Е (межсезонное), обозначающие климатические условия применения.

Третья группа: символы К2, К3, К4, К5, обозначающие экологический класс дизельного топлива.

Примеры обозначения дизельных топлив: топливо дизельное ДТ-З-К5, класс 2 по СТБ 1658-2012; топливо дизельное ДТ-Л-К4, Сорт C по СТБ 1658-2012; топливо дизельное ДТ-Л-К5, Сорт C по СТБ 1658-2012; топливо дизельное ДТ-З- К5, Сорт F по СТБ 1658-2012.

Ассортимент автомобильных дизельных топлив, выпускаемых в Республике Беларусь, их свойства

В Республике Беларусь действует государственный стандарт Республике Беларусь СТБ 1658-2012 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Топливо дизельное. Технические условия» . В соответствии с данным стандартом дизельные топлива и методы их испытаний должны соответствовать требованиям, приведенным в таблице 3

Таблица 3 – Общие требования и методы испытания

Белорусские нефтеперерабатывающие заводы выпускаю дизельное топливо следующих марок.

Для эксплуатации в условиях умеренного климата предлагаются следующие марки топлива дизельного по СТБ 1658-2012:

ДТ-Л-К4(К5), Сорт C – предельная температура фильтруемости не выше -5°C;

ДТ-З-К4(К5), Сорт F – предельная температура фильтруемости не выше -20°C.

Остальные технические требования и нормы представлены в таблице 6. В зависимости от содержания серы подразделяется на два экологических класса: К4 и К5.

Качество топлива дизельного экологического класса К5 соответствует требованиям европейского стандарта EN 590.

Топливо дизельное соответствует требованиям технического регламента Таможенного союза ТР ТС 013/2011.

Таблица 6 - Технические характеристики дизельных топлив для умеренного климата, выпускаемых в РБ ДТ-Л-К4(К5), Сорт C, Сорт F

Для эксплуатации в условиях холодного климата предназначено топливо дизельное ДТ-З-К5, класс 2 («Арктика») по СТБ 1658-2012.

Современный дизель очень чувствителен к качеству топлива. Не нужно заправлять старый дизель современной соляркой, а новый – древней. Евро IV допускает содержание серы только 50 ppm (то есть 50 частей на миллион), а Евро V вообще выводит на предел определяемости – 10 ppm.

(Кстати, надпись «ЕВРО IV на колонке – чаще всего маркетинговый ход. Такого в наших ГОСТах нет!»).

Это соответственно в 100 и в 500 раз меньше. У «ЛУКОЙЛА» всего 60 ppm. В современных нормативных документах на дизтопливо жестко нормируется его смазывающая способность – характеристика противоизносных свойств (диаметр пятна контакта). Вместо серы и сернистых соединений роль смазки выполняют специальные присадки (У «ЛУКОЙЛА» пятно контакта самое маленькое – 268 мкм – это хорошо). Для рабочего процесса любого дизеля важны не содержание серы, канцерогенов (полициклические ароматические углеводороды – потенциальные носители канцерогенов – бенз(а)пирена) или смазывающая способность, а его состав, цетановое число, вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения, наличие катализаторов горения. Кроме того, важной задачей является снижение смол, механических примесей, воды и т.д. Концентрация 0,01-0,03% (100-300 ppm) – это вполне приемлемый и безопасный уровень содержания серы.

10. Контроль качества дизельного топлива

Кинематическая вязкость. В топливах для быстроходных дизельных двигателей нормируется кинематическая вязкость при 20 °С, а для тихоходных - при 50 °С. При данных температурах в соответствии с требованием ГОСТ 33-66 вязкость можно определять в вискозиметрах типа ВПЖ-1, ВПЖ-2 и Пинкевича. Вискозиметры ВПЖ-1 рекомендуются для определения вязкости прозрачных (просвечивающихся) жидкостей при положительных температурах, а ВПЖ-2 и Пинкевича как при положительных, так и отрицательных температурах. Вискозиметры выпускаются с разными диаметрами капилляров, что позволяет определять вязкость от 0,6 до 30 000 сСт. Вискозиметр нужно подбирать так, чтобы время движения жидкости при проведении опыта было не менее 200 и не более 600 с. Вязкость дизельных топлив определяют при 20 °С.

Вязкость дизельных топлив должна быть оптимальной . Как слишком малая вязкость, так и слишком большая нарушают работу топливоподающей аппаратуры, процессы смесеобразования и сгорания топлива. В ГОСТах на топлива для быстроходных дизельных двигателей нормируются нижний и верхний пределы кинематической вязкости при 20 °С.

При пониженной вязкости топливо просачивается через зазоры в плунжерной паре топливного насоса, нарушается дозировка топлива, уменьшается цикловая подача. Топливо может подтекать через отверстия форсунок, что вызывает повышенное нагарообразование. Топливом смазываются прецизионные пары топливного насоса, при уменьшении вязкости смазочные свойства ухудшаются, что может привести к повышенному износу топливной аппаратуры.

Давление, создаваемое ТНВД настолько велико, что смазывающие свойства дизельного топлива для его деталей жизненно важны.

При распыливании маловязкого топлива образуются более мелкие и однородные по размеру капли. Это улучшает процессы испарения, смесеобразования и сгорания. При отрицательных температурах топливо с невысокой вязкостью обладает лучшей текучестью в трубопроводах, фильтрах тонкой очистки, насосах, затрачивается меньше энергии на преодоление внутреннего трения.

Если топливо обладает большой вязкостью , то при распыливании образуются крупные капли, поэтому требуется больше времени на испарение, что приводит к неполному сгоранию топлива и дымлению двигателя, увеличивается нагарообразование, повышается расход топлива. Особенно сильно влияет повышенная вязкость на пусковые свойства зимой. При повышении температуры вязкость уменьшается незначительно, а при отрицательных температурах резко повышается (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры

Чем выше началь ное значение вязкости (+20 °С), тем сильнее изменения, происходящие при понижении температуры, что приводит к резкому возрастанию сопротивления при движении жидкости по топливопроводам, в результате чего может нарушаться нормальная подача топлива и работа насоса высокого давления. Поэтому вязкость зимних сортов дизельных топлив должна быть меньше, чем летних.

Испытаниями установлено, что оптимальная вязкость топлив для быстроходных дизелей при 20 °С находится в пределах 2,0-6,0 сСт, причем летние топлива должны иметь вязкость ближе к верхнему пределу, а зимние - к нижнему.

Низкотемпературные свойства. Важной эксплуатационной характеристикой дизельного топлива являются его низкотемпературные свойства, которые определяют подвижность топлива при отрицательных температурах. Низкотемпературные свойства оцениваются температурами помутнения, начала кристаллизации и застывания.

Температурой помутнения называют температуру, при которой теряется фазовая однородность топлива. Визуально топливо начинает мутнеть из-за выделения мельчайших капелек воды, микроскопических кристаллов льда или твердых углеводородов. Постепенно при понижении температуры 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 носит название температуры застывания.

Определение температур помутнения и застывания . Общий вид прибора для оценки низкотемпературных свойств дизельных топлив показан на рис. 5.

В пробирку 5 наливают испытуемое топливо в таком количестве, чтобы ртутный шарик термометра 2 был в середине жидкости. Пробирку плотно закрывают пробкой 3 с укрепленным в ней термометром. Собранную пробирку 5 помещают в воздушную ванну, которой служит другая пробирка 6, большего диаметра. В стакан 4 с охлаждающей смесью помещают термометр 1. В качестве охлаждающей смеси можно использовать многие составы. При испытании летних сортов дизельных топлив можно пользоваться смесью снега и поваренной соли. При испытании зимних сортов удобно работать с твердой углекислотой (сухой лед). Сухой лед небольшими кусочками (пинцетом) опускают в бензин, происходит интенсивное испарение углекислого газа, что вызывает понижение температуры. Температура до минус 45-50° достигается легко, а этого вполне достаточно для испытания зимних топлив.

Помешивая охлаждающую смесь, понижают ее температуру примерно до 0 °С. Затем в охлаждающую смесь в вертикальном положении устанавливают собранный прибор и по термометру 2 следят за понижением температуры испытуемого топлива.

Начиная от +5 °С может нарушаться фазовая однородность топлива. Для определения температуры помутнения прибор быстро вынимают из охлаждающей смеси и в проходящем свете наблюдают за изменением внешнего вида топлива. Если образец остается прозрачным, прибор помещают в охлаждающую смесь и понижают температуру до 0 °С (помешивая смесь). При проведении опыта нужно постепенно понижать температуру охлаждающей смеси так, чтобы разница между температурами смеси и топлива была не больше 5-7 °С.

Наблюдения за изменением состояния топлива повторяют при понижении температуры через каждые 5 °С. Отмечают первую температуру, при которой замечено изменение фазовой однородности (помутнение). После этого продолжают понижать температуру до тех пор, пока топливо не застынет (т. е. не потеряет подвижность). При температуре застывания уровень топлива в пробирке, находящейся в охлаждающей смеси и наклоненной под углом 45°, должен оставаться неподвижным в течение 1 мин. В этом опыте температуры помутнения и застывания можно определить с точностью до 5 °С. Для большей точности нужно очень медленно понижать температуру охлаждающей смеси и наблюдать за изменением состояния топлива через каждые 2-3 °С.

Температуры помутнения, кристаллизации и застыва ния зависят от химического состава дизельных топлив. У парафиновых углеводородов эти температуры очень высокие, часто даже положительные, поэтому нефти парафинового основания используют для получения летних сортов дизельных топлив. Многие нафтеновые углеводороды имеют низкие температуры застывания (ниже минус 50 °С). Зимние сорта дизельных топлив вырабатывают из нефтей с высоким содержанием нафтеновых углеводородов. Подбирая сырье, технологию его переработки и очистки, получают зимние сорта дизельных топлив с температурами застывания минус 45 или минус 30 0 С. Содержание ароматических и непредельных углеводородов в дизельных топливах крайне нежелательна: первые имеют высокие температуры застывания и ухудшают качество горения, вторые снижают стабильность.

Оценка качества дизтоплива по нагарообразованию . Способность обеспечивать чистоту деталей двигателя и топливоподающей системы - очень важный эксплуатационный показатель топлива для быстроходных двигателей. Особенно большие неприятности создает закоксовыва-ние отверстий распылителей форсунок. Кроме этого, нагар и другие углеродистые отложения образуются в камере сгорания, на клапанах, глушителях, в продувочных окнах (двухтактные двигатели) и др. Закоксовывание форсунок ухудшает распыл топлива, снижает его цикловую подачу, а иногда и прекращает подачу топлива. Нагароотложения ведут к перегреву двигателя, а, следовательно, к снижению его мощности и экономичности.

Повышенному накоплению нагара способствуют неполнота сгорания топлива, которая может быть из-за повышенной вязкости и тяжелого фракционного состава, снижения давления впрыска, износов деталей форсунки, а главное, наличия в топливе высокомолекулярных смолистых веществ, лакообразующих соединений, повышенной зольности и наличия механических примесей. На накопление в топливе смолистых веществ существенно влияет его стабильность, т. е. способность сохранения физико-химического состава и свойств топлива при хранении. Наихудшей стабильностью обладают непредельные углеводороды, которые под действием времени, температуры, кислорода воздуха образуют смолы и органические кислоты, поэтому содержание непредельных углеводородов в дизельных топливах не допускается.

Показатели качества дизельного топлива, влияющие на образование нагара и нормируемые ГОСТом, следующие: коксовое число, или коксуемость, содержание фак тических смол, золы, механических примесей, часто также определяется содержание лака. Но полностью ни один из этих параметров не характеризует эксплуатационных свойств топлива.

Коксовое число - способность топлива давать углистый остаток после его испарения и разложения без доступа воздуха при температуре 800 °С. Количество остатка зависит от вязкости, фракционного состава топлива и глубины его очистки от смолисто-асфальтовых соединений. Допускается коксовое число не более 0,05%. Поскольку эта величина очень невелика, часто определяют коксуемость 10% остатка топлива после его разгонки. В этом случае допустимая величина кокса для топлив, используемых в быстроходных дизелях, будет в 10 раз больше, т. е. 0,5%.

Фактические смолы . Высокомолекулярные продукты, содержащиеся в топливе в момент определения в виде твердых или полужидких веществ, остающихся после испарения топлива. Количество фактических смол определяется при температуре 250 °С.

Зола - минеральный остаток после сжигания топлива в атмосфере воздуха при температуре 800-850 °С. Зола, остающаяся после сгорания топлива, участвует в образовании нагара и, кроме этого, увеличивает износ деталей, поэтому ее содержание строго ограничено и не может превышать 0,02%.

Определение склонности топлива к лакообразованию . Хорошим показателем, оценивающим склонность топлива к образованию высокотемпературных отложений, на наш взгляд, является содержание в нем лакообразующих веществ. Прибор показан на рис. 6.