3.3. Выпаривание и сгорание дизельного топлива

Выпаривание дизельного топлива влияет на полноту сгорания, экономичность двигателя, его пуск и работу, нагаро-, лакообразование, износ двигателя, состав отработанных газов, расход топлива и масла.

К показателям качества дизельного топлива, влияющих на его выпаривание и сгорание, относятся:

- вязкость,

- густота,

- давление насыщенного пара,

- поверхностное натяжение,

- теплота парообразования,

- теплоёмкость.

Густота дизельного топлива влияет на смесеобразование и выпаривание так же, как и вязкость (см. вопрос 3.2). Значение внутренней теплоты парообразования влияет на работу дизеля во время его пуска. Такие показатели, как теплоёмкость, теплота выпаривания на работу дизеля влияют незначительно (меньше по сравнению с бензиновым двигателем).

Выпаривание топлива оценивается фракционным составом. При определении фракционного состава дизельного топлива фиксируют температуру кипения 50% и температуру конца кипения (кипение 96%). Значения температур кипения дизельного топлива и бензина несколько отличаются с точки зрения оценки их эксплуатационной характеристики.

Чтобы облегчить пуск двигателя и уменьшить расход топлива, проводят разогрев двигателя зимой, используют пусковые жидкости. Использование чистого эфира для облегчения пуска дизеля недопустимо, потому что эфир смывает смазывающую плёнку с поверхности цилиндро-поршневой группы и может создать условия для сухого трения. Пусковые жидкости содержат эфир; смазывающие, антикоррозионные и другие компоненты.

Топливо тяжелого фракционного состава с высокой температурой кипения 96% (конца кипения) не успевает полностью выпариваться, следовательно, и сгореть. Неполнота сгорания ведет к перерасходу топлива, повышению дымности и токсичности отработанных газов, потере мощности (т.к. выбрасывается часть топлива, которая не догорела), повышению нагаро- и лакообразованию. За потерей каждых 10% мощности двигателя расход топлива повышается на 4…5%.

С целью уменьшения дымности отработанных газов дизелей к топливу при необходимости можно вводить антидымные присадки, к которым относятся соли щелочных металлов, неорганические соли щелочно-земельных металлов, органические вещества с содержанием железа, марганца, а также композиции присадок. Количество и эффективность добавленных присадок зависит от многих факторов (химического состава присадки и топлива, условий работы двигателя и др.). При сгорании топлива с такими присадками образуются твёрдые сульфаты. Карбонаты, металлы, оксиды металлов, которые откладываются в камере сгорания, в зоне поршневых колец, выбрасываются в атмосферу. Оценивая эффективность противодымных присадок, следует учитывать их негативное действие.

Могут использоваться беззольные (неметаллические) антидымные присадки, которые не образуют при сгорании твёрдые вещества. Они более дорогие, требуют добавления большого количества по сравнению с зольными присадками.

Важное свойство дизельного топлива – его возможность обеспечивать чистоту двигателя и топливной аппаратуры. Это свойство в значительной степени зависит от химического и фракционного состава топлива. Чем выше температура конца кипения, тем больше тяжелых фракций в топливе, тем больше вероятность нагарообразования, неполноты сгорания топлива, повышения токсичности отработанных газов. Но снижение температуры конца кипения дизельного топлива уменьшает объём его производства.

Улучшить полноту сгорания, уменьшить нагарообразование, содержание токсичных веществ в отработанных газах можно введением специальных противонагарных присадок, уменьшающих нагарообразование на распылителях форсунок и деталях двигателя; моющих, которые улучшают процесс сгорания топлива в камере сгорания и сохраняют чистыми детали цилиндро-поршневой группы и распылителей форсунок; многофункциональных присадок, в состав которых, как правило, входят металлоорганические вещества, аминофенолы, амиды жирных кислот, кремний-органичные соединения, полиэфиры и др. Вводят присадки в небольшом количестве – 0,001-0,03% мас.

Повышение густоты топлива, содержания ароматичных углеводородов (особенно полицикличных), серы, асфальто-смолистых веществ, температур кипения топлива (табл.39) повышает возможность нагарообразования.

Таблица 39

Зависимость нагарообразования от температуры кипения топлива

Топливо	Температура кипения 10%, *С	Количество нагара, г
Бензин	62	0,19
Авиационный гас	173	0,83
Дизельное топливо	238	0,89

Уменьшить содержание ароматичных углеводородов в топливе можно проведением глубокой гидроочистки. Себестоимость топлива при этом повышается.

Образование нагара и лака зависит от наличия серных соединений. Повышение содержания серы в топливе при его сгорании повышает твёрдость нагаров. Наибольшее влияние на нагарообразование из серных соединений имеют меркаптаны, которые ускоряют процессы окисления, полимеризации нестабильных веществ дизельного топлива и способствуют их отложению на деталях двигателя. Нагаро-, лакообразование зависит также от конструкционных особенностей двигателя, его технического состояния, режима работы, качества моторного масла и т.д.

Органические кислоты, содержание которых в дизельных топливах допускается в больших количествах по сравнению с содержанием органических кислот в бензине, и серные соединения вызывают, прежде всего, коррозию деталей двигателя и другие неисправности. Большая часть дизельных топлив производится из сернистой нефти. При переработке нефти содержание сернистых соединений увеличивается с повышением температур кипения отдельных фракций: меньше всего их в бензине, до 95% серы приходится на газойль (компонент дизельного топлива) и мазут.

Чувствительность двигателей разной конструкции к коррозии серными соединениями зависит от их теплового режима. Так, при повышенном тепловом режиме наблюдается газовая коррозия оксидами серы, которые образуются при сгорании топлива, тарелок выпускных клапанов, верхней части цилиндров, верхнего компрессионного кольца.

При снижении теплового режима оксиды серы растворяются в воде (которая образуется при сгорании топлива и конденсируется на холодных деталях двигателя), и происходит жидкостная коррозия кислотами. В малонагруженных двигателях возникают условия для жидкостной коррозии больше, по сравнению с коррозией в двигателях с высокой загруженностью. Тракторные дизели, например, больше склонны к газовой коррозии, автомобильные (особенно те, что работают в городских условиях) – к жидкостной. При жидкостной коррозии разрушаются вкладыши подшипников. Чем больший прорыв газов в масляный картер и содержание серы в топливе, тем больший износ от жидкостной коррозии.

В дистиллятах дизельного топлива содержание серы может составлять до 1,3%. Дистилляты подлежат сложному процессу каталитичного выделения серных соединений из топлива, который (процесс) позволяет уменьшить содержание серы до 0,2…0,01 % и меньше. Опыт использования дизельных топлив свидетельствует о том, что общий износ двигателя почти прямо пропорционален содержанию серы в дизельном топливе. Например, при повышении содержания серы с 0,2% до 0,6% износ гильз цилиндров и поршневых колец повышается почти на 15%, а при увеличении содержания серы в топливе до 1% износ этих деталей увеличивается в 1,5 раза. При выборе топлива для определенного двигателя следует обращать внимание на содержание в нем серы, поскольку иногда отдельные марки дизельного топлива содержат до 0,5% серы и больше. Используя высокосернистые топлива, следует одновременно использовать моторные масла с высокими нейтрализующими свойствами. Продукты горения топлива содержат серный и сернистий ангидриды, которые проникают из цилиндро-поршневой группы в масляный картер в связи с не плотностью соприкосновения. Тут они образуют серную и сернистую кислоты, ухудшая качество масла. Продукты сгорания серных соединений влияют на масляную плёнку на цилиндрах.

Основными объектами коррозийного износа продуктами горения серных соединений являются ЦПГ, органическими кислотами – плунжерные пары. Повышение кислотности топлив вызывает коррозийный износ плунжерных пар топливного насоса высокого давления, увеличение отложений на деталях топливной системы и двигателя, ухудшение мощностных и экономичных показателей двигателя. Износ топливной аппаратуры зависит от повышенной кислотности топлива больше по сравнению с её износом при использовании топлива низкой вязкости.

Для борьбы с коррозией в моторные масла (иногда – и в топлива) добавляют специальные присадки. Следует иметь в виду, что при сгорании топлива образуются также оксиды азота. Некоторые из них могут переходить в кислоты так же, как и оксиды серы.

Одним из преимуществ дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями считается меньшая токсичность отработанных газов за счет более полного сгорания топлива.

Следует отметить, что это положение может быть отнесено к технически исправным двигателям, при использовании кондиционных и соответствующих данному двигателю топлив и масел. Состав отработанных газов не остается постоянным. Появление значительного количества сажи в отработанных газах вследствие неполноты сгорания приводит не только к загрязнению атмосферы, но и ухудшает видимость на дорогах, что может привести к аварийной ситуации. При работе с неисправной системой питания дизелей массовое содержание сажи в отработанных газах может возрасти до 70…90% веса.

К высокотоксичным веществам в отработанных газах дизелей принадлежит бенз-α-пирен, содержание которого резко увеличивается в случаях неполного сгорания топлива (наличие «хвоста» за дизелем).

Температура самовоспламенения топлива зависит от химического состава и температур кипения (фракционного состава). На воспламенение топлив большое влияние имеют степень сжатия, конструкция камеры сжатия, давление распыления, материал поршня, тепловой режим и техническое состояние двигателя, и другие факторы. Чем выше давление нагретого воздуха, тем ниже температура самовоспламенения топлива.

Топливо, которое поступает в цилиндры двигателя, воспламеняется не сразу, проходит некоторое время, пока оно начинает гореть. Время от начала подачи топлива до его самовоспламенения называется периодом задержки самовоспламенения.

Самовоспламенение топлива происходит двумя стадиями, которое имеет место в большинстве случаев в дизелях, и при этом период задержки самовоспламенения состоит из периода задержки холодного пламени и другого периода задержки. Общий период задержки можно поделить на:

1. время, которое затрачивается на прохождение физических процессов (распыление топлива и его выпаривание, смешивание паров с воздухом),

2. и время, необходимое для химических реакций (реакции, которые проходят перед появлением пламени и формирование центров воспламенения).

Газовые (этан, бутан) и ароматичные углеводороды (бензол) имеют высокие температуры самовоспламенения, н.парафиновые – самые низкие. С повышением молекулярного веса н.парафиновых углеводородов их температура самовоспламенения уменьшается.

На процесс сгорания топлива влияют эксплуатационные факторы. Так, увеличение угла опережения впрыскивания топлива провоцирует жёсткую работу двигателя, т.к. топливо поступает в менее сжатый и нагретый воздух. При очень раннем впрыскивании топливо может воспламениться и сгореть раньше, прежде чем поршень дойдёт до в.м.т. Это приводит к потере мощности двигателя за счет потери энергии на преодоление сопротивления газов. Уменьшение мощности и КПД двигателя происходит при уменьшении угла опережения впрыскивания топлива по сравнению с оптимальным, т.к. топливо сгорает при перемещении поршня вниз и не будет достигнуто максимальное давление в цилиндре. При увеличении оборотов коленчатого вала улучшается процесс горения топлива. На характер горения топлива влияют тепловое состояние двигателя, температура воздуха. Зимой вероятность возникновения жёсткой работы того дизеля больше по сравнению с вероятностью возникновения жёсткой работы того же двигателя летом вследствие низких температур воздуха.

Внешние признаки жёсткой работы дизеля идентичны детонационному сгоранию топлива в бензиновых двигателях: прослушивается характерный металлический стук за счёт ударной волны на поршень двигателя. Стуки в дизеле сопровождаются вибрацией и перегреванием поршня и головок цилиндра. Хотя внешние признаки детонации в бензиновом двигателе и жёсткая работа дизеля идентичны, причины их возникновения разные. Факторы, которые вызывают либо усиливают детонацию в бензиновых двигателях, ликвидируют либо уменьшают жёсткую работу дизеля (например, химический состав топлива).

На процесс сгорания топлива, период задержки самовоспламенения наибольше влияет качество топлива, его химический и фракционный состав. В таблице 45 приведены температуры самовоспламенения некоторых соединений. Самые низкие температуры самовоспламенения имеют н.парафиновые углеводороды. Чем выше их молекулярная масса, тем ниже температура самовоспламенения. Самые высокие температуры самовоспламенения имеют ароматичные углеводороды.

Таблица 45

Температуры самовоспламенения углеводородов (в воздухе)

Углеводород	Формула	Температура, *С
		кипения	самовоспламенения
Парафиновые:
н.гексан		68,7	500
н.декан		174,1	252,8
н.гександекан (цетан)		286,5	235
изооктан (2,2,4-триметилпентан)		99,2	529,4
Нафтеновые:
метилциклопентан		71,8	468,9
пропилциклопентан		130,9	285
Ароматичные:
бензол		80,5	720
оксилол		144,4	591,7
мксилол		139,1	688,9
п-ксилол		138,4	690,6
α-метилнафталин		244,7	565,6

Химический состав бензина для без детонационного сгорания и дизельного топлива для обеспечения мягкой работы имеет прямо противоположный характер. Соединения с высокими температурами самовоспламенения, чтобы не воспламенялись, пока они не будут принудительно подожжены искрой или пламенем топлива, которое уже горит. К этим соединениям относятся ароматичные и изо-парафиновые углеводороды. Соединения с низкими температурами самовоспламенения являются желательными компонентами дизельных топлив, чтобы при сгорании они обеспечивали небольшой период задержки самовоспламенения. Это – нормальные парафиновые и нафтеновые углеводороды с боковыми н.парафиновыми цепями.

Для оценки самовоспламенения топлив введен условный безразмерный показатель – цетановое число, которое указывает на скорость повышения давления при сгорании жидкого топлива в поршневых двигателях с загоранием топливно-воздушной смеси от температуры сжатого воздуха. Для определения цетанового числа приняты эталонные топлива, при сгорании которых в разных соотношениях сравнивают сгорание топлива, для которого определяют значение цетанового числа. В качестве эталонного топлива выбраны н.парафиновый углеводород н.цетан (н.гексадекан), который имеет очень малый период задержки самовоспламенения, и его цетановое число условно принято за 100, и ароматичный углеводород – α-метилнафталин, который имеет большой период задержки самовоспламенения, и его цетановое число условно принято за 0. Смесь н.цетана и α-метилнафталина в разных соотношениях имеет неодинаковую температуру самовоспламенения.

Цетановое число дизельного топлива определяют сравнением самовоспламенения дизельного топлива с самовоспламенением штучной (искусственной) смеси н.цетана с α-метилнафталином. Запускают двигатель на топливе, которое исследуется, и сменой степени сжатия достигают условий, чтобы самовоспламенение топлива началось точно в в.м.т., т.е. период задержки самовоспламенения равнялся 13*. Далее подбирают такую смесь н.цетана и α-метилнафталина, которая бы при той же степени сжатия самовоспламенялась точно в в.м.т., т.е. имела бы такой же период задержки самовоспламенения – 13*, как и топливо, которое исследуют.

Цетановым числом называется процентный (объёмный) содержание н.цетана в смеси с α-метилнафталином, которая по самовоспламенению аналогична топливу, которое исследуется. Например, если исследуемое топливо имеет цетановое число 52, это значит, что по самовоспламенению оно эквивалентно штучной (искусственной) смеси эталонных топлив, которая содержит 52% н.цетана и 48% α-метилнафталина.

Цетановое число топлива зависит от его химического состава. Н.парафиновые углеводороды имеют наивысшие цетановые числа (табл.46). Ароматичные углеводороды самовоспламеняются при высоких температурах и имеют наименьшие цетановые числа.

Таблица 46

Цетановые числа углеводородов

Углеводород	Класс углеводорода	Цетановое число
Н.гексан	н.парафиновый	48
Н.декан	н.парафиновый	76,9
Н.додекан	н.парафиновый	87,6
Н.гексадекан (н.цетан)	н.парафиновый	100
Н.октадекан	н.парафиновый	102,6
метилциклогексан	нафтеновый	20
дициклогексан	нафтеновый	47,4
толуол	ароматичный	-5
Н.гексилбензол	ароматичный	27
α-метилнафталин	ароматичный	0

Увеличение содержания ароматичных углеводородов в дизельном топливе ведёт к ухудшению его самовоспламенения, т.е. к снижению цетанового числа. Ароматичные углеводороды в дизельном топливе и особенно полицикличные влияют на полноту сгорания, количество твердых частиц и бен-α-пирена, концентрацию оксидов азота в отработанных газах. Так, снижение содержания ароматичных углеводородов в дизельном топливе с 30 до 10% уменьшает количество оксидов азота в отработанных газах приблизительно на 4-5%. Цетановое число зависит также от фракционного состава: чем ниже температуры кипения топлива, тем меньше цетановое число. Так, например, фракции, полученные из одной нефти и содержат значительное количество н.парафиновых углеводородов, с температурами кипения в пределах 200-250*С и 250-300*С имеют цетановые числа 45 и 60 соответственно.

Чем ниже цетановое число топлива, тем более жёсткая работа двигателя. Во время жёсткой работы дизеля наблюдается повышенный износ коренных подшипников коленчатого вала, особенно вкладышей, за счёт ударной волны на них; пригорают и деформируются, а иногда ломаются поршневые кольца; повышается прорыв газов в масляный картер; повышаются расход топлива и масла, а также дымность и токсичность отработанных газов. Жёсткая работа дизелей разной конструкции наблюдается при разном значении интенсивности повышения давления. Мягкая работа дизеля обеспечивается повышением давления на 0,25…0,5 Мпа, а жёсткая – на 0,6…0,9 Мпа на каждый градус поворота коленчатого вала. При большом нарастании давления работа дизеля будет очень жёсткой.

Можно предупредить (предотвратить) либо ликвидировать жёсткую работу двигателя конструкционными либо эксплуатационными методами, например, повышением степени сжатия, наддувом, добавлением к топливу соединений, которые уменьшают период задержки самовоспламенения. Некоторые нитраты, альдегиды, кетоны, пероксиды и другие соединения уменьшают температуру самовоспламенения. Добавление к дизельному топливу с цетановым числом 39,1 изо-пропилнитрата, н.гептилнитрата либо пероксида бутила в количестве 1,5% повышает цетановое число топлива на 17,9%; 14,8 и 20,2 единиц соответственно. При добавлении к топливу с цетановым числом 42 ацетилпероксида или пероксида тетралина в количестве 0,5% цетановое число его повышается на 9 и 8 единиц соответственно. Некоторые полинитраты, например, динитраты 1-2-пропиленгликоля, этиленгликоля и др. являются взрывоопасными веществами; нитрозосоединения, эфиры, альдегиды малоэффективны. Как присадки для повышения цетанового числа используют алкилнитраты: изо-пропилнитрат, циклогексилнитрат, смесь амилнитратов, т.е. такие, которые имеют общую формулу RONO₂, где R – радикал, например, этил-, изо-пропил-, пентил-.

Современные товарные дизельные топлива, как правило, отвечают требованиям конструкционных особенностей дизелей в отношении значения цетанового числа. Для современных автотракторных дизелей, дорожно-строительной и другой техники необходимы топлива с цетановыми числами 45…56, что обеспечивает мягкую работу двигателя. Повышение цетановых чисел выше 56 не влияет существенно на улучшение работы дизеля, а удельный расход топлива повышается. Это объясняется тем, что при высоких цетановых числах период задержки самовоспламенения очень малый, и сгорание происходит возле распылителя форсунки. Воздух, который находиться в отдаленных от форсунки местах, не берёт участия в процессе сгорания. Поэтому имеет место неполное сгорание топлива, что ведет к его перерасходу, повышению токсичности и дымности отработанных газов и к перерасходу масла. Повышение цетанового числа топлива ведет к его удорожанию. Летние дизельные топлива всегда имеют более высокие значения цетанового числа по сравнению с зимними, изготовленными из одной нефти, потому что в составе летних топлив есть большое количество н.парафиновых углеводородов.

Товарные дизельные топлива имеют в своем составе присадки, такие как депрессаторы, антидымные, моющие, против износа. Из присадок против износа эффективными являются соединения на основе монокислот, эфиров карбоновых кислот и т.д.

Антидымные присадки делятся на зольные и беззольные.

Зольные присадки (они содержат в своем составе металлы) при определенных условиях вызывают негативные явления в работе дизеля вследствие образования при сгорании зольных присадок твердых частиц (сульфатов, карбонатов, оксидов металлов), которые частично откладываются в камере сгорания, на распылителях форсунок. В продуктах горения могут быть токсичные металлические соединения, которые выбрасываются с отработанными газами в атмосферу.

Беззольные присадки имеют в своем составе кислород либо азот.

Создавая «пакет» присадок к дизельному топливу, обязательно изучают совмещенность этих присадок между собой, эффективность действия с учетом наличия нескольких присадок и химического состава топлива, для которого предназначен «пакет» присадок, влияние на каталитичный нейтрализатор.

С целью экономии нефтяных дизельных топлив к ним можно добавлять растительные масла или животные жиры, использование которых известно давно. Как добавку к дизельному топливу можно использовать такие растительные масла, как соевое, рапсовое, семечковое, кукурузное и др., а также до 20% бараньего или иного животного жира.

Особенностью растительных и животных жиров является наличие в них от 9,4 до 12,5% кислорода. Природные растительные и животные жиры состоят из глицеридов, т.е. из сложных эфиров трёхатомного спирта – глицерина и разных органических кислот. При хранении масла и жиров они становятся горькими под действием света и воздуха, приобретают неприятный запах и вкус. При получении «сырого» масла из растений оно имеет в своем составе разные примеси, «липкие» компоненты, от которых необходимо избавляться очисткой. Как добавку к дизельному топливу используют обработанное специальными веществами масло. Для предохранения от порчи растительных масел и животных жиров в составе топлива, смеси готовят перед использованием без длительного хранения. Такие смеси используют преимущественно летом.

Наибольшего использования приобрели рапсовое масло как добавка к дизельному топливу. Рапсовое масло (как и другие растительные маслà и животные жиры) имеют восстановленную сырьевую базу. Для современных дизелей рапсовое масло не может использоваться в чистом виде, т.к. уступает дизельному топливу по некоторым показателям качества. Так, она имеет:

- меньшую теплоту сгорания (33,7 МДж/м³ по сравнению с 35,2 МДж/м³);

- более низкое значение цетанового числа (до 40);

- более высокую температуру выпаривания: температура начала кипения составляет 376*С; температура кипения 70% - 574*С;

- более высокую густоту (900 кг/м³);

- органические примеси, которые значительно ухудшают коэффициент фильтрованности.

Рапсовое масло используют как добавку к дизельному топливу в летний период. Смесь дизельного топлива с рапсовым маслом однородна, не расслаивается. Добавка до 30% рапсового масла практически не ухудшает мощности работы двигателя, не повышает токсичности отработанных газов и периодичности замены моторного масла.

Добавка спиртов к дизельным топливам показала уменьшение токсичности отработанных газов. Экономии топлива при этом нет. С добавками спиртов к топливу увеличивается коррозия. Спирты уменьшают цетановое число топлив.

Методами синтеза масла и спирта (восстановленного сырья) можно получить топливо для дизелей с показателями качества, близкими к показателям качества дизельного топлива, получаемого из нефти.