Марки дизельных топлив и область их применения

Мдк 01.02

Тема 1.3:Автомобильные дизельные топлива.
Занятие 1.3.2: Свойства, дизельных топлив, влияющие на самовоспламенение в процессе сгорания: мягкая и жесткая работа дизельного двигателя, понятие о ценатовом числе. Способы повышения самовоспламеняемости. Свойства влияющие на образование отложений: содержание фактических смол, зольность, коксуемость, йодное число, содержание серы. Коррозийность дизельных топлив: содержание серы, воды,
водорастворимых кислот и щелочей. Испытание на медную пластинку. Марки дизельных топлив и область их применения.
Лекция
Свойства дизельного топлива, влияющие на его самовоспламеняемость и процесс сгорания
Самовоспламеняемостыо называется способность дизельного топлива воспламеняться без источника зажигания. Самовоспламеняемость топлива оценивается цетановым числом, и от нее зависит протекание процесса сгорания топлива в цилиндрах двигателя.
Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы топливо самовоспламенялось в определенный момент и далее энергично сгорало, вызывая интенсивное, но достаточно плавное нарастание давления, не превышающее 0,5 МПа на 1° поворота коленчатого вала. Работа двигателя в этом случае оценивается как мягкая, т.е. его детали работают без перегрузки, развивается максимальная мощность и обеспечивается необходимая топливная экономичность.
Если же топливо самовоспламеняется несвоевременно, а с запаздыванием, то это приводит к жесткой работе двигателя, напоминающей работу карбюраторного двигателя с детонацией. При жесткой работе дизеля его детали работают с перегрузкой, что приводит к ускоренному их износу и даже поломкам, перерасходу топлива, дымному выпуску и снижению мощности.
Характерно, что многие из факторов, вызывающих стуки при жесткой работе дизеля, способствуют устранению детонации в карбюраторных двигателях. Это объясняется особенностями протекания рабочего процесса у этих типов двигателей. Так, в дизеле воспламенение горючей смеси происходит в результате предпламенных реакций окисления молекул топлива кислородом воздуха в условиях высокой температуры такта сжатия. При этом впрыснутые в конце такта сжатия первые порции топлива воспламеняются не сразу, а проходит некоторое время, в течение которого продолжается подача топлива, увеличивается давление в цилиндре двигателя и, главное, повышается температура. В таких условиях происходят образование и распад пероксидов, местное повышение в этих зонах температуры и образование очагов пламени, которое завершается воспламенением всего топлива, находящегося в цилиндре двигателя.
Время от впрыска первой порции топлива до его воспламенения называется периодом задержки воспламенения.
На развернутых индикаторных диаграммах четырехтактного дизеля для двух типов его работы видно, что в обоих случаях — мягкой (нормальной) и жесткой — начало впрыска происходит в одно и то же время (точка а), но самовоспламенение (точка б) при мягкой работе (кривая 1) происходит раньше, чем при жесткой (кривая 2), т.е. в первом случае период задержки воспламенения будет меньше, чем во втором.

Рис.1 Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля:1 — мягкая работа двигателя; 2 — жесткая работа двигателя; а — начало подачи топлива; б — момент самовоспламенения топлива; в — конец подачи топлива.
При мягкой работе двигателя к началу самовоспламенения в цилиндре находится меньше топлива, чем при жесткой работе, поэтому нарастание давления после воспламенения будет значительно более резким при большей задержке воспламенения, что и вызывает работу двигателя со стуками. Несмотря на более высокое максимальное давление, при жесткой работе двигателя мощность не увеличивается, так как индикаторное давление при этом снижается по сравнению с мягкой (нормальной) работой двигателя в первый период самовоспламенения (в конце такта сжатия) и на большей части такта расширения (рабочего хода).
Таким образом, продолжительность периода задержки воспламенения существенно влияет на работу двигателя. При одинаковых двигателях и одинаковых условиях их работы период задержки воспламенения, а следовательно, и мягкая или жесткая их работа зависят от самовоспламеняемости топлива, количественно оцениваемой цетановым числом.
Цетановое число дизельного топлива определяют методом сравнения работы стандартного одноцилиндрового двигателя на испытуемом топливе и на эталонных смесях.
Эталонную смесь составляют из двух углеводородов, один из которых легко воспламеняется, а второй — плохо. В качестве легковоспламеняющегося компонента берут цетан, являющийся представителем парафиновых углеводородов. Его цетановое число принимают за 100. В качестве трудновоспламеняющегося компонента берут а-метилнафталин (С₁₀Н₇СН₃), являющийся представителем ароматических углеводородов. Цетановое число а-метилнафталина принимают за 0.
Цетановым числом топлива называется показатель его самовоспламеняемости, численно равный содержанию цетана (об. %) в такой его смеси с а-метилнафталином, которая равноценна данному топливу по самовоспламеняемости при испытании в стандартном двигателе.
Цетановое число определяют на установке ИТ9-3, оснащенной одноцилиндровым двигателем с переменной степенью сжатия (е = 7...23) с помощью метода совпадения вспышек.
При работе на испытуемом топливе с углом опережения впрыска 13° подбирается такая степень сжатия, при которой топливо воспламеняется, когда поршень находится в высшей мертвой точке (ВМТ). Это фиксируется вспышкой неоновой лампы. Затем при тех же степени сжатия и угле опережения впрыска подбирают эталонное топливо, которое также воспламеняется при положении поршня в ВМТ.
Цетановые числа дизельных топлив зависят от их углеводородного состава, структуры и молекулярной массы. Наиболее высокие цетановые числа у парафиновых углеводородов, более низкие у нафтеновых и самые низкие у ароматических. Однако парафиновые, особенно высокомолекулярные, углеводороды обладают высокими температурами помутнения и застывания, что ограничивает их содержание в дизельном топливе.
Нафтеновые углеводороды являются хорошим компонентом дизельных топлив; они имеют удовлетворительные цетановые числа и температуры застывания. Изомерные углеводороды имеют более низкое цетановое число, чем соответствующие им углеводороды того же ряда нормальной структуры.
Из-за недостаточного цетанового числа в дизельном топливе допускается лишь небольшое содержание углеводородов ароматического ряда, хотя они и имеют низкую температуру застывания.
С облегчением фракционного состава дизельных топлив прямой перегонки цетановые числа, как правило, снижаются и, следовательно, ухудшается их самовоспламеняемость. Дизельные топлива Прямой перегонки по эксплуатационным качествам уступают топливам каталитического крекинга.
От величины цетанового числа зависят пусковые свойства дизельного топлива. При одинаковом фракционном составе у топлива с более высоким цетановым числом лучшая самовоспламеняемость, и двигатель на нем легче пускается. Для облегчения пуска в зимнее время в воздушный патрубок дизеля вводят пять—восемь капель серного эфира, обладающего высокими самовоспламеняемостью и испаряемостью.
Цетановое число дизельного топлива может быть повышено с помощью высокоцетановых компонентов или специальных присадок. В качестве присадки допускается добавка не более 1 % изопропилнитрата. Однако для современных автомобильных дизелей нецелесообразно применение топлива с цетановыми числами выше 50, так как это экономически не оправданно. Более того, если топливо имеет чрезмерно высокое цетановое число, то первые его порции, попавшие в цилиндр, сразу воспламеняются, т. е. большая его часть впрыскивается не в воздух, а в продукты сгорания и не перемешивается с еще неизрасходованным воздухом. В результате имеют место неполное сгорание, дымный выпуск, снижение мощности и ухудшается экономичность двигателя.

Рис.2 Зависимость продолжительности пуска дизеля от цетанового числа
К числу других факторов (кроме свойств топлива), влияющих на жесткость работы дизеля, относятся его конструктивные данные и условия работы. Появлению стуков при работе дизеля способствуют увеличение угла опережения впрыска, снижение частоты вращения коленчатого вала, уменьшение степени сжатия, понижение температурного режима двигателя и температуры засасываемого воздуха.
Жесткая работа дизеля так же нежелательна, как и работа карбюраторного двигателя с детонацией.
Способы повышения.
Цетановое число топлива можно повысить 2-мя способами: регулированием углеводородного состава или введением специальных присадок.
1- Способ: состоит в том что, цетановое число можно значительно повысить, увеличивая % разных нормальных парафинов и уменьшая – ароматичных углеводов.
2- Способ: это введение в топливо всего 1% косметических присадок (органические присадки, сложные эфиры и др.), даёт возможность повысить цетановое число на 8…12 единиц.
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 процентуцетанаС₁₆Н₃₄в его смеси сальфа-метилнафталиномС₁₀Н₇СН₃, 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 и период 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

1 Цетановое число, не менее		СТБ ИСО 5165	51.0
2 Цетановый индекс, не менее		СТБ ИСО 4264	46.0

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

1 Цетановое число, не менее		СТБ ИСО 5165	48.0
2 Цетановый индекс, не менее		СТБ ИСО 4264	46.0

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 присадокспособствует легкому выделению активного кислорода. К таким присадкам относятся органические 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 иt₅₀. Для дизельного топлива, выпускаемого по EN-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

5 Содержание серы, мг/кг, не более: - экологический класс К5 - экологический класс К4	СТБ ИСО 20846	10.0 50.0
11 Коррозия медной пластинки (3 ч при 50 ⁰С), класс	СТБ ИСО 2160	Класс 1
9 Содержание воды, мг/кг, не более	СТБ ИСО 12937

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.
Содержание серы в топливе также влияет на образование отложений. Чем выше ее содержание в топливе, тем больше нагара и лака образуется при его сгорании. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность.
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
Зольностьтоплива 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

Показатель	Норма по ТР ТС 013/2011	Метод испытаний	Значение по СТБ 1658-2012
4 Массовая доля полициклических ароматических углеводородов, %, не более: - экологический класс К5 - экологический класс К4		СТБ ЕN 12916	8.0 8.0
7 Коксуемость 10%-ного остатка, %, не более	—	СТБ ИСО 10370	0.30
8 Массовая доля золы, %, не более	—	СТБ ИСО 6245	0.01

Марки дизельных топлив и область их применения

Автомобильные двухтактные и четырехтактные дизельные двигатели относятся к типу быстроходных (частота вращения коленчатого вала свыше 1000 об/мин). Она более требовательны м качеству топлива, чем тихоходные транспортные и стационарные дизельные двигатели.
Для автомобильных дизельных двигателей выпускается топливо согласно ГОСТ 4749-73 и ГОСТ 305-73. Топливо по ГОСТ 4749—73 состоит только из продуктов прямой перегонки, а по ГОСТ 305—73 может включать до 20% продуктов каталитического крекинга.
Дизельное топливо по ГОСТ 4749—73 выпускается трех марок: ДА, ДЗ и ДЛ. В этой маркировке буква Д означает — дизельное, а вторая буква соответственно А — арктическое, 3 — зимнее и Л — летнее. Применять эти сорта топлив нужно в зависимости от температуры окружающего воздуха. Так, при температуре ниже минус 30 °С нужно использовать арктическое топливо (ДА), при температуре выше минус 30 °С — зимнее (Д3) и при температуре выше 0 °С — летнее (ДЛ). Все три сорта топлива отличаются между собой фракционным составом, вязкостью, температурами застывания и помутнения, т. е. теми показателями, влияние которых проявляется при изменении температуры топлива.
ГОСТ 305—73 предусматривает выпуск для автомобилей четырех сортов дизельного топлива: Л (летнего), 3 (зимнего), ЗС (зимнего северного) и А (арктического). Летнее используется при температуре окружающего воздуха выше 0° зимнее — при температуре до минус 20 °С, зимнее северное при температуре до минус 30 °С и арктическое — при температуре до минус 50 °С.
При этом важно помнить, что дизельное топливо подгруппы 2 по ГОСТ 305—73 с повышенным содержанием серы (более 0.2%) можно применять только при условии использования для смазки двигателя масла, содержащего многофункциональные присадки (ВНИИ НП-370, ВНИИ НП-360 и др.), обладающие моющими свойствами и нейтрализующие вредное действие серного и сернистого газов. В противном случае неизбежен будет повышенный износ деталей двигателя, превышающий нормальный в 1,5—3 раза. Чтобы уменьшить вредное влияние сернистого топлива, следует также поддерживать нормальный тепловой режим двигателя (не снижать температуру во избежание конденсации паров влаги), более часто заменять фильтрующие элементы масляных фильтров и масло в картере двигателя.
Контрольные вопросы: 1. Свойства дизельного топлива, влияющие на его самовоспламеняемость и процесс сгорания.
2. Развернутая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля
3. Зависимость продолжительности пуска дизеля от цетанового числа
4. Способы повышения.
5. Свойства и показатели ДТ, влияющие на самовоспламенение и процесс сгорания.
6. Марки дизельных топлив и область их применения.

Руководитель занятия: ________________________ Катречко С.И.