Основные эксплуатационные свойства дизельного топлива
Наибольшее влияние на полноту и качество сгорания а, следовательно, на эффективность и надежность использования образцов военной техники оказывают следующие эксплуатационные свойства дизельного топлива: прокачиваемость, испаряемость, воспламеняемость, горючесть и совместимость с конструкционными материалами.
Прокачиваемость. Эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса прокачки топлива по трубопроводам и топливным системам. Прокачиваемость дизельного топлива характеризуется такими показателями качества, как вязкость, коэффициент фильтруемости, содержание механических примесей и воды, температуры помутнения и застывания.
Коэффициент фильтруемости позволяет определять изменение пропускной способности фильтра при последовательном пропускании через него определенного количества топлива. Величина коэффициента фильтруемости зависит от содержания механических примесей, воды, натриевых мыл нафтеновых кислот и смолистых продуктов окисления. Норма на коэффициент фильтруемости дизельного топлива позволяет ограничить содержание всех загрязнений и поверхностно-активных веществ, вызывающих закупорку пор фильтров и мешающих работе топливной аппаратуры дизеля.
Вязкость.В современных дизелях топливо к форсункам подают и дозируют насосы плунжерного типа. Гильза и плунжер являются прецизионной парой с диаметральным зазором 0,002-0,003 мм. Вязкость топлива должна быть такой, чтобы обеспечить минимальное подтекание топлива через зазоры и смазку прецизионных пар топливного насоса. Это ограничивает минимально допустимый уровень вязкости топлива.
Топливо с высоким уровнем вязкости обычно имеют плохие низкотемпературные свойства, и их применение при отрицательных температурах вызывает осложнения при подаче топлива в двигатель.
Кроме того, вязкость влияет на распыливание топлива в камере сгорания. О качестве распыливания принято судить по среднему диаметру образующихся капель. При повышении вязкости топлива качество распыливания его ухудшается, но увеличивается глубина проникновения капель в среду сжатого воздуха. Если вязкость сильно возрастет, то для обеспечения поршневого распыливания необходимо увеличивать давление впрыс-кивания. Считается, что изменение вязкости в пределах от 3 до 8 мм2/с не требует регулирования топливного насоса.
С точки зрения улучшения прокачиваемости и распыливания желательно было бы использовать топливо пониженной вязкости. Однако понижение вязкости ведет к понижению коэффициента подачи топлива в камеру сгорания и, как следствие, к падению мощности.
Из сказанного следует, что для быстроходных дизелей топливо должно обладать определенной (оптимальной) вязкостью, которая лежит в пределах от 1,5 до 6,0 мм2/с в зависимости от марки.
Содержание механических примесей и воды.Топливная аппаратура современных дизелей предъявляет высокие требования к чистоте применяемого топлива. В них не должно содержаться механических примесей и воды.
Наличие в дизельном топливе механических примесей ведет не только к забиванию топливных фильтров, но и к форсированному износу топливного насоса, засорению форсунок.
Наличие воды в дизельном топливе может являться причиной затруднений при пуске, нарушений подачи в цилиндры и т. п. В холодное время года в результате замерзания находящейся в топливе воды топливная аппаратура забивается кристаллами льда, что ведет к перебоям в работе или к остановке двигателя. Кроме того, при работе на обводненном топливе может снижаться прочность фильтрующих перегородок фильтров, а также возникать коррозия деталей топливной аппаратуры. Вода в топливе способствует также его микробиологическому заражению, а появившиеся в результате этого микроорганизмы вызывают биологическую коррозию металлов, разрушают защитные покрытия, ухудшают его качество из-за частичного разложения.
Температура помутнения.При понижении температуры наружного воздуха может быть нарушена нормальная подача дизельного топлива по системе питания двигателя на участке бак - насос высокого давления. Такое нарушение и даже полное прекращение подачи неизбежно наступают вследствие кристаллизации высокоплавких углеводородов, в первую очередь нормальных парафинов.
При этом топливо не теряет текучесть, в то же время микрокристаллы проникают только через фильтр грубой очистки. Они, задерживаясь на фильтрующем элементе в фильтре тонкой очистки, образуют непроницаемую для топлива пленку высокоплавких углеводородов, в результате чего подача топлива прекращается. Чаще всего это проявляется при пуске и прогреве дизеля, так как в подкапотном пространстве на какой-то период еще сохраняется низкая температура.
Бесперебойная подача обеспечивается при температуре помутнения топлива не менее чем на 5° С ниже температуры окружающей среды.
Температура застывания. Это наивысшая температура, при которой дизельное топливо в стандартном приборе, наклоненном под углом 45° С, в течение 1 мин. остается неподвижным. Перемешивая застывшее топливо, можно разрушить кристаллическую структуру. Однако текучесть восстанавливается только на короткое время, после чего топливо вновь застывает. Нормальная работа дизеля возможна в условиях, когда температура застывания будет не менее чем на 15° С ниже температуры окружающей среды.
Испаряемость.Испарение топлива в дизелях начинается сразу после его впрыска в камеру сгорания и продолжается до сгорания последних порций топлива. Весь процесс испарения топлива и образование рабочей смеси происходит непосредственно в цилиндре двигателя за очень короткий промежуток времени (тысячные доли секунды). На приготовление рабочей смеси в дизеле отводится в 10 раз меньше времени, чем в бензиновом двигателе. Испаряемость характеризуется таким основным показателем качества, как температурная характеристика фракционного состава, в частности температурами выкипания 50 и 96% фракций. Испаряемость оказывает влияние на легкость и продолжительность запуска холодного двигателя, на скорость и теплоту сгорания топлива в цилиндре дизеля и, в конечном счете, на эффективность рабочего процесса.
Облегчение фракционного состава может приводить к образованию паровых пробок в системе питания, жесткой работе двигателя, затруднению пуска и прогрева из-за увеличения теплоты испарения топливовоздушной смеси и снижения температуры в камере сгорания, возрастанию периода задержки воспламенения. В то же время для производства топлива, состоящего примерно из 40% бензиновых фракций и 60% стандартного дизельного топлива, требуются меньшие объемы процессов гидроочистки и депарафинизации, чем при производстве обычного дизельного топлива с таким же содержанием серы и с той же температурой застывания. Себестоимость такого топлива ниже себестоимости бензинов на 20-25% и ниже себестоимости гидроочищенного дизельного топлива на 15-20%.
Утяжеление фракционного состава топлива приведет к неполному его испарению в процессе смесеобразования, в результате чего запуск холодного двигателя, особенно при отрицательных температурах, затрудняется. Даже прогретый быстроходный двигатель при работе на тяжелом топливе не развивает максимальную мощность и дымит из-за неполного сгорания топлива.
Невоспламенившиеся тяжелые фракции топлива стекают по стенкам цилиндра и смывают масло, увеличивают износ деталей цилиндра поршневой группы и вызывают разжижение масла в картере двигателя.
Процессы испарения и смесеобразования в дизеле кроме температурного предела фракционного состава зависят от таких свойств топлива, как вязкость, плотность, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, скрытая теплота испарения, теплоемкость, коэффициент диффузии.
Воспламеняемость и горючесть дизельного топлива характеризуются воспламеняемостью при адиабатическом сжатии воздуха в двигателе и протеканием процесса сгорания после воспламенения.
Одним из показателей, характеризующих воспламеняемость дизельного топлива, является температура вспышки - самая низкая температура топлива (в стандартных условиях), при которой над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для дальнейшего горения.
Температуру вспышки нормируют для ограничения количества фракций в дизельном топливе с более высоким давлением насыщенных паров. Этот показатель служит главным образом для оценки пожаровзрывоопасности, что необходимо для правильной организации хранения дизельных топлив.
Согласно ГОСТ 305–82 предусматривается выпуск топлива с температурой вспышки не ниже 40° С для дизелей общего назначения и не ниже 62° С для тепловозных и судовых дизелей.
Основным показателем, характеризующим воспламеняемость и эффективность сгорания дизельного топлива в двигателе, является цетановое число - условная величина, численно равная процентному (по объему) содержанию цетана (н-гексадекана) в смеси его с альфа-метил-нафталином, которая по самовоспламеняемости эквивалентна испытуемому топливу в стандартных условиях испытаний.
Цетановое число определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработавших газов. Чем выше цетановое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жестко работает дизель.
Однако с повышением цетанового числа сверх оптимального ухудшается экономичность дизеля в среднем на 0,2-0,3% и повышается дымность отработавших газов на единицу цетанового числа.
Цетановое число топлива зависит от их углеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают нормальные парафиновые углеводороды, а самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов. Остальные углеводороды занимают промежуточное положение. Цетановое число дизельного топлива, выпускаемого отечественной промышленностью, установлено не ниже 45. Применение топлива с цетановым числом менее 40 приводит к жесткой работе дизеля, а более 50 - к увеличению удельного расхода топлива вследствие уменьшения полноты сгорания.
Совместимость с конструкционными материалами.Для обеспечения длительной надежной эксплуатации двигателей дизельное топливо не должно химически взаимодействовать с деталями топливной аппаратуры и уплотнительно-прокладочными материалами.
Коррозионная активность дизельного топлива зависит главным образом от содержания и строения углеродсодержащих примесей. Общее содержание таких примесей, влияющих на коррозионную агрессивность (кислородные и сераорганические соединения), в дизельном топливе в 3-5 раз больше, чем в автомобильных бензинах.
Среди кислородных соединений преобладают органические (нафтеновые) кислоты и другие кислородсодержащие вещества, попадающие в топливо из нефти в процессе прямой перегонки и образующиеся в процессе хранения. Однако следует иметь в виду, что скорость образования органических кислот без доступа свежего воздуха в условиях температур до 50° С невелика, и при соблюдении правил хранения содержание органических кислот в дизельном топливе не превышает допустимых значений в течение всего установленного срока хранения.
Коррозионное действие серы и сернистых соединений проявляется в жидких и газообразных продуктах сгорания.
В жидкой фазе наиболее агрессивны сероводород, сера и меркаптаны. Сероводород коррозирует цинк, железо, медь, латунь и алюминий, однако современные технологические процессы обеспечивают полное удаление сероводорода из дизельного топлива. Сера, если она имеется в свободном состоянии в топливе, почти мгновенно взаимодействует с медью и ее сплавами, образуя сульфиды, вследствие чего наряду с коррозией металла, приводящей к потере его массы, наблюдается образование отложений на металле. Меркаптаны вызывают износ топливной аппаратуры, причем в присутствии воды коррозионное действие усиливается.
Коррозионная активность сернистых соединений в продуктах сгорания проявляется за счет кислотной и газовой коррозии. При сгорании сернистые соединений образуют оксиды SО2 и SO3. При высокой температуре SО2 и SО3 взаимодействуют с металлом в газообразном состоянии, а при понижении температуры - за счет взаимодействия с парами и каплями воды в виде H2SО3 и H2SО4 вызывают кислотную коррозию. Совместимость с материалами оценивается следующими показателями качества: массовой долей серы, содержанием сероводорода, содержанием водорастворимых кислот и щелочей, кислотностью, испытанием на медной пластинке.