6. Дизельне паливо

Дизельне паливо - світло-коричнева масляниста рідина, густиною від 780 до 860 кг/м³, є продуктом прямої перегонки нафти, можливе змішування з газойлем каталітичного крекінгу. В склад дизельного палива входять фракції нафти, що википають при температурі від 150⁰…170⁰С до 350⁰…365⁰С. Основна увага приділяється паливам для швидкохідних двигунів (швидкість руху поршня більше 6,5м/с, а частота обертання вала - більше 105 рад/с).

Займання і згоряння.

Самозаймання дизпалива - це його здатність загорятися в камері згоряння двигуна без стороннього джерела запалювання. При вчасному займанні суміш згоряє швидко, але достатньо плавно, без перевантажень, забезпечує максимальну потужність і необхідну економічність двигуна. Самозапалювання палива з запізненням призводить до жорсткої роботи двигуна, нагадує роботу карбюраторного двигуна з детонацією. При цьому деталі двигуна перевантажуються, швидше зношуються і виходять з ладу.

Вимоги до дизельного палива.

Паливо впорскується в камеру згоряння під протитиском 3,4...4,4МПа повітря і його температурою 600...700⁰С, випаровується, нагрівається до температури самозаймання і займання. Цей процес триває 0,002...0,003 с (майже в 10 разів швидше ніж в бензиновому двигуні). У зв’язку з цим паливо повинно задовольняти наступні вимоги:

• володіти легким займанням, що забезпечує швидкий пуск і м’яку роботу двигуна в любих умовах і режимах;

• мати оптимальний фракційний склад і в’язкість, які забезпечують необхідне розпилювання і випаровуваність в камері згоряння;

• володіти добрими низькотемпературними властивостями, що дозволяють двигуну працювати при низькій температурі;

• не містити корозійно-агресивні продукти, смолисті сполуки, що закоксовують форсунки, механічних домішок і води;

• забезпечувати добру його фільтрацію;

• володіти високою стабільністю при тривалому збереженні;

• не викликати підвищеного зносу деталей циліндро-поршневої групи і паливної апаратури.

Процес згоряння палива в циліндрі дизеля ділиться на чотири періоди, які в цілому визначають динаміку і економічність робочого процесу

Перший період (період затримки займання ) процесу горіння починається з моменту початку впорскування палива до моменту займання суміші. В цей період паливо розпилюється, випаровується і окислюється. Теплота, що виділилась при окисленні, ще більше підвищує температуру суміші, утворюючи осередок запалювання і самозапалює утворену до цього часу суміш. Період затримки займання обумовлює великий вплив на весь процес згоряння палива. Тривалість періоду залежить від розміру крапель, утворених при розпиленні палива. З їх ростом час прогріву збільшується.

Другий період процесу горіння наступає після займання робочої суміші і супроводжується підвищенням тиску в циліндрі двигуна за рахунок швидкого згоряння палива, яке поступило протягом першої фази. Швидкість наростання тиску залежить від тривалості періоду затримки займання.

Коли паливо, потрапляючи в циліндр швидко займається і період затримки займання виявляється невеликим, то тиск в циліндрі збільшується рівномірно і процес згоряння протікає плавно. При невеликій швидкості наростання тиску на ділянці ”C-Y”-робота двигуна вважається м’якою, нормальною. Висока швидкість наростання тиску (більше 0,49…0,69МПа на один градус повороту колінчастого валу) викликає жорстку роботу, при якій різко зростає навантаження на деталі кривошипно-шатунного механізму. Вона супроводжується димним вихлопом, стуками, перегрівом двигуна, тобто, нагадує детонацію в карбюраторному двигуні.

Третій період - період активного згоряння. В цей період відносні швидкості, хоча і зменшуються, але все ж залишаються значними. Протягом періоду тиск і температура газів в циліндрі досягають максимального значення. В ході розширення, тиск і температура понижуються. Чим більша частина палива згоряє, тим економічніший робочий процес двигуна в цілому.

Четвертий період - період повільного горіння, порівняно повільного затухання реакції. Швидкість виділення тепла в цій фазі в 8…9 разів менша швидкості основного згоряння палива.

Ділянка різкого зростання тиску (другий період) визначає динамічні показники циклу, третій і четвертий - економічно-потужністні показники.

Займання і згоряння палива залежить від його фізико-хімічних властивостей, а також від конструктивних особливостей двигунів, які через процеси паливоподачі і сумішеутворення впливають на процеси горіння.

Фізико-хімічні властивості палива визначаються груповим складом вуглеводнів. Найкраще займання мають алкани нормальної будови, найгірше - ароматичні вуглеводні. Тому дистиляти прямої перегонки, багаті алканами і цикланами, переважають дистиляти каталітичного і термічного крекінгу з великим вмістом ароматичних вуглеводнів, так як забезпечують більш м’яку роботу двигуна. Але вміст великої кількості алканів, особливо високомолекулярних погіршує низькотемпературні властивості палива. Тому вуглеводневий склад повинен забезпечити оптимальний склад палива по вимогам до займання, температури помутніння і застигання.

Конструктивні особливості забезпечують умови, в які потрапляє паливо в камері згоряння двигуна. Підвищення ступеня стиску скорочує період затримки займання, так як підвищується температура в кінці стиску.

Із збільшенням кута випередження впорскування період затримки займання, навпаки, подовжується, оскільки в цьому випадку паливо починає подаватись в камеру згоряння, коли температура там ще недостатньо висока (рис.15).

Більшість факторів, які збільшують затримку займання палива і викликають жорстку роботу дизелів, в карбюраторних двигунах, навпаки, покращують їх роботу і знижують детонацію.

Самозаймання дизельних палив оцінюють цетановим числом, яке визначається методом порівняння (як і октанове число бензину) роботи стандартного одноциліндрового двигуна, на дослідному паливі і еталонних сумішах, складених із двох вуглеводнів: легкозаймистого цетану (100 одиниць) в суміші з -метилнафталіном (0 одиниць), який по самозайманню рівноцінний даному паливу.

Сучасні дизельні палива мають цетанове число 45…50 одиниць. З збільшенням цетанового числа процес згоряння протікає більш плавно, двигун працює економічніше і не так жорстко. Але вже з цетановим числом більшим 55…60 одиниць паливо займається в циліндрі досить рано, не встигнув розповсюдитись по всій камері згоряння і змішатись з повітрям, в результаті чого відбувається неповне згоряння, димний вихлоп, зменшується потужність і погіршується економічність двигуна. Застосування дизельного палива з цетановим числом менше 40 призводить до збільшення періоду затримки самозаймання і жорсткої роботи двигуна.

Розпилювання і випаровуваність палива

Згоряння палива в дизельному двигуні відбувається в паровій фазі, яка може бути швидко досягнута тільки при його досконалому розпиленні. Паливо подається під великим тиском (25…30 МПа) через сопло форсунки в циліндр двигуна, де утворює факел розпиленого палива з краплин розміром від 0,003 до 0,150 мм. Потрапляючи в середовище стиснутого гарячого повітря, краплини палива випаровуються, а пара перемішується з повітрям, утворюючи робочу суміш. Розпилювання на дрібні частинки прискорює процес сумішеутворення. Якість і швидкість визначаються конструктивними факторами (тиск впорскування, діаметр отворів форсунки, форми камери згоряння) і деякими фізико-хімічними властивостями, головними з яких є в'язкість і фракційний склад. В’язкість має переважний вплив на першу стадію сумішеутвореня-розпилення, фракційний склад, на другу стадію - випаровуваність.

В’язкість дизельного палива характеризує його текучість, величину внутрішнього тертя і взаємну силу зчеплення молекул. Від в’язкості палива залежить якість його розпилу в циліндрі двигуна, далекобійність струмини, чіткість початку і кінця подачі палива форсункою.

Для дизельних палив в’язкість регламентується стандартом при температурі 20⁰С і знаходиться в межах (1,8...6,0) мм²/с. Паливо з невисокою в'язкістю добре розпилюється, але при дуже малій в’язкості воно підтікає через розпилюючі отвори форсунок, що викликає їх закоксовування. Із-за недостатньої далекобійності струмини паливо зосереджується і згоряє у розпилювача форсунки, а не розподіляється рівномірно по всій камері згоряння. В результаті спостерігається неоднорідність робочої суміші, погіршується процес згоряння і падає потужність двигуна. Маловязке паливо проникає через щілини в плунжерній парі паливного насосу, що призводить до зниження тиску впорскування і зменшення циклової подачі. Із збільшенням в’язкості палива якість сумішеутворення погіршується, так як при розпилюванні утворюються краплини, які не встигають випаровуватись. Паливо згоряє неповністю, збільшується його витрата, підвищується нагароутворення. Погане розпилення супроводжується димним випуском відпрацьованих газів.

Фракційний склад дизельного палива характеризується температурами перегонки 10, 50 і 96% (t_10%, t_50%, t_96%, ) палива, що зумовлюють певний склад різних марок палива і їх випаровуваність. Паливо з великим вмістом важких фракцій погано розпилюється, зменшується швидкість утворення робочої суміші, погіршується її однорідність, що викликає підвищене димності і знижує економічність двигуна. Неповне згоряння палива супроводжується не тільки збільшеною його витратою, але й підвищеним зносом деталей циліндро-поршневої групи, так як незгоріле паливо змиває олива з стінок циліндрів.

При високому вмісті легких фракцій швидкість згоряння палива збільшується, але двигун працює жорстко. Тому в паливі повинні бути в оптимальних співвідношеннях легкі, середні та важкі фракції.

Окремі експлуатаційні якості дизельного палива за характерними показниками фракційного складу (подібно бензину) не оцінюють. Слід відмітити, що температура википання t_10% палива вказує на наявність в ньому фракцій, що легко випаровуються, але погано займаються, тому їх вміст обмежують.

Температура википання t_50% палива в деякій степені характеризує пускові властивості дизельних палив. При використанні дизельного палива з більш низькою температурою википання t_50% палива запуск двигуна полегшується. Температура википання t_96% палива ( кінець перегонки ) показує вміст в паливі важких фракцій, що погіршують сумішеутворення і зумовлюють неповне згоряння. В зимовий період слід використовувати паливо, яке википає при температурі 140⁰...340⁰С, а в літній - при 170⁰...260⁰С. Такий фракційний склад забезпечує повне згоряння палива в циліндрі і нормальну роботу сучасних швидкохідних двигунів.

Прокачуваність і фільтрованість палива

Надійність подачі палива залежить від його прокачуваності через елементи системи живлення, головним чином, через фільтри грубої і тонкої очистки.

Фільтри грубої очистки затримують механічні частинки розміром більше 50...60мкм, тонкої - більше 2...5мкм. При порушенні їх роботи зменшується (а інколи і взагалі зупиняється) циклова подача палива, падає тиск впорскування палива.

На характер надходження палива через систему паливоподачі впливає в’язкість і низькотемпературні властивості палива, а також забруднення його механічними домішками, водою і милами нафтенових кислот. В’язкість і низькотемпературні властивості взаємопов’язані і негативно впливають на прокачуваність, особливо в зимовий період року. Для необхідної подачі палива продуктивність підкачуючого насосу встановлюють в 3...5 разів більшою необхідної для роботи двигуна.

Низькотемпературні властивості палива характеризуються температурою помутніння і застигання (рис. 6.1).

Рис. 17. Зміна стану дизельного палива при охолодженні:

а- паливо прозоре; б- паливо помутніло, але зберегло текучість;

в- паливо втратило текучість - застигло.

Хоча, при помутнінні паливо і не втрачає своєї текучості, розміри мікрокристалів не дозволяють їм проходити через фільтри тонкої очистки, в результаті чого подача палива зупиняється.

Температурою застигання палива називають таку температуру, при якій паливо втрачає текучість. Застигання палива викликається тим, що мікрокристали парафіну зростаються і утворюють просторову решітку. Температура застигання на 8...10⁰С нижче температури помутніння. Мінімальна температура повітря, при якій рекомендується застосовувати паливо, повинна бути на 10...15⁰С вище температури його застигання.

Температура помутніння і застигання палив визначаються їх груповим вуглеводневим складом. Нормальні парафінові вуглеводні погіршують фільтрування при низьких температурах, а тому вміст їх в зимових паливах обмежують, не дивлячись на їх високе цетанове число. Із парафінистих нафт зимові палива отримують за рахунок облегшення фракційного складу або шляхом депарафінізації дизельних палив різними технологічними процесами, з яких найбільш розповсюдженні карбамідні і мікробіологічні. Застосування депресорних присадок на базі сополімера етилена з вінілацетатом в кількості до 0,2 % дозволяє понизити температуру застигання палива на 35⁰...40⁰С. Опір фільтрів в значній степені, але не в рівній, залежить від температур помутніння і застигання.

Коефіцієнт фільтрування регламентує вміст всіх забруднень, які заважають нормальній роботі фільтрів: механічних домішок, води, мил нафтенових кислот і смол. Чим вищий цей показник, тим більша ймовірність зниження подачі палива із-за забивання фільтрів.

Мила нафтенових кислот і смоли, що вміщуються в невеликих кількостях у паливах, не тільки забивають фільтри тонкої очистки, але і утворюють осади в фільтрах грубої очистки.

Механічні домішки і вода в паливі не повинні бути: “відсутність механічних домішок” вважають при вмісті їх не більше 0,005%, тобто, 50 грам на 1т. На всьому шляху надходження до споживача забруднення палива коливається від 10...20 до 650 г в 1т і більше.

Забруднення і обводнення палива може відбуватись при транспортуванні, зберіганні, заправці. Знаходячись в змуленому стані, механічні домішки забивають фільтри, особливо тонкої очистки. Вода, потрапляючи в паливо, може знаходитись в ньому в розчиненому вигляді, або у виді відстояного шару. Зимою вона виділяється з палива у вигляді льоду, частинки якого можуть швидко забити паливні фільтри і зупинити подачу палива.

Корозійні властивості

Корозійність дизельного палива обумовлюється можливим вмістом в ньому водорозчинних кислот і лугів, наявність яких в паливі неприпустима, органічних кислот і сірчистих сполук, наявність яких в паливі обмежена.

В даний час основна частина всіх нафтопродуктів виробляється з сірчистих нафт, так як ресурси малосірчистих нафт дуже обмежені. Шляхом складних процесів очистки із газойлевих і солярових дистилятів, що вміщують 1...1,3% сірки, отримують паливо з вмістом сірки до 0,2...0,5%.

Сірка в паливі майже не кородує деталі тощоі складові частини паливної апаратури. Значно складніше з продуктами згоряння сірчистих палив. Сірчисті сполуки, утворенні при згорянні в умовах високих температур в камері згоряння двигунів, взаємодіють з металом верхньої частини гільз циліндрів і верхнього компресійного кільця, викликаючи газову корозію. При збільшенні вмісту сірки в паливі з 0,2 до 1% знос деталей збільшується в 1,5 рази.

Утворенню сірчистих сполук спричиняє понижений тепловий режим роботи двигунів при пуску і прогріві. Для зниження корозійних зносів необхідно намагатись до скорочення часу пуску, прогріву і підтримуванню в процесі роботи оптимального теплового стану двигуна.

Марки дизельних палив

1. Залежно від умов використання встановлюються (ДСТУ 3868-99, додаток 2) такі марки дизельного палива:

Л- літнє, рекомендується для використання за температурою повітря не нижче мінус 5⁰С.

З- зимове, рекомендується для використання за температуроюповітря не нижче мінус 15⁰С.

2. За вмістом сірки дизельні палива підрозділяються на чотири види:

I- масова частка сірки не більше 0,5%;

II- масова частка сірки не більше 0,10%;

III- масова частка сірки не більше 0,20%;

IV- масова частка сірки не більше 0,50%.

3. В умовне позначення дизельного літнього палива марки Л повинні входити масова частка сірки і температура спалаху, дизельного палива марки З - масова частка сірки і температура застигання.

Приклад умовного позначення дизельного літнього палива з масовою часткою сірки до 0,10% і температурою спалаху 40⁰С:

Паливо дизельне Л-0,10-40 за ДСТУ3868-99.

Приклад умовного позначення дизельного зимового палива з масовою часткою сірки до 0,10% і температурою застигання мінус 25⁰С:

Паливо дизельне 3-0,10-(-25) за ДСТУ 3869-99.