2. Свойства топлив

На подачу дизельного топлива влияют:

• присутствие в топливе механических примесей и воды;

• вязкостно-температурные свойства топлива;

• температура помутнения и застывания.

Как известно, в топливоподающей аппаратуре дизелей имеются прецизионные детали (зазор в плунжерной паре топливного насоса 1,5-2,0 мкм), и это предопределяет очень высокие требования к чистоте дизельного топлива. Механических примесей и воды в дизельном топливе быть не должно. Контроль за выполнением этого требования осуществляется специальным стандартным методом.

Через доведенный до постоянной массы бумажный фильтр отфильтровывают разбавленное бензином дизельное топливо.

Увеличение первоначальной массы фильтра, отнесенное к массе пропущенного через фильтр топлива, выраженное в процентах, и характеризует количество механических примесей.

Опыт применения топлив, особенно в сельском хозяйстве, показывает, что при нарушении правил их транспортировки, складирования, перекачки и заправки в баки в топливо попадают вода и различные примеси, которые не только резко увеличивают износ топливной аппаратуры и двигателя, но могут вызвать и отказы их работы. Этому способствует то, что загрязнения, вследствие большей вязкости дизельного топлива, оседают на дно топливных баков и емкостей для хранения значительно медленнее, чем в бензине.

Показатели качества дизельного топлива существенно ухудшаются при попадании в топливо воды. Вода присутствует в топливе в свободном или в растворенном состоянии. Но чаще всего наблюдается присутствие воды в обоих состояниях одновременно.

Свободная вода находится в топливе в виде эмульсии, причем если размер капель составляет доли микрона, то топливо даже не теряет прозрачности; с увеличением размера капель топливо постепенно мутнеет и становится непрозрачным. Растворимость воды в топливе зависит от температуры и может изменяться от 0,003 % при 0 °С до 0,01 % при 27 °С.

Загрязнение дизельного топлива значительно возрастает при работе автомобилей и тракторов в запыленных условиях. При содержании пыли в воздухе 1—2,5 г/м³ загрязнений в топливе в 2-3 раза больше, чем в момент заправки. Рекомендуется, например, перед заправкой дизельного топлива в баки отстаивать его в емкостях в течение 10 дней.

С повышением вязкости топлив их предварительное отстаивание теряет свою эффективность; поэтому вязкие топлива, применяемые для судовых силовых установок, подвергаются обычно центробежной очистке в специальных сепараторах, часто непосредственно на борту судов. При предварительной сепарации маловязких дизельных топлив содержание в них механических примесей уменьшается на 70-80 %, а вода полностью удаляется. Средневязкие топлива (флотский мазут Ф5) при сепарации освобождаются от механических примесей на 50-60 %, а от воды - на 95 %. Вместе с тем при сепарировании теряется до 2-3 % топлива, увеличиваются энергетические затраты, поскольку перед сепарацией топливо нагревают до 50-100 °С, а главное, нагретое топливо во время сепарации подвергается нежелательному окислению, вызывающему повышение содержания в нем смол и органических кислот.

Самым надежным способом очистки дизельного топлива является фильтрация, поэтому топливоподающая система дизелей обязательно включает фильтры, назначение которых — максимально возможно защитить топливный насос высокого давления, форсунки и двигатель в целом от механических примесей, которые по тем или иным причинам накапливаются в топливе.

С учетом решающего значения фильтрации для обеспечения чистоты топлива, в стандарты на топливо для быстроходных дизелей введен новый показатель качества — коэффициент фильтруемости (ГОСТ 19006-73).

Сущность определения этого показателя состоит в пропускании 10 порций топлива по 2 мл каждая через фильтровальную бумагу, закрепленную в специальной державке прибора. Время прохождения топлива через фильтр замеряют секундомером. Коэффициент фильтруемости представляет собой отношение времени фильтрации последних 2 мл топлива к времени фильтрации первых 2 мл. Обычно у товарных дизельных топлив коэффициент фильтруемости меньше трех, что удовлетворяет требованиям стандарта.

Основное влияние на фильтруемость дизельных топлив оказывают групповой химический состав и кислотность топлива. Нафтеновые кислоты, особенно в присутствии воды, образуя студенистые осадки, резко снижают фильтруемость топлив.

Большое значение для бесперебойной подачи топлива имеют его вязкость и вязкостно-температурные свойства. Чем меньше вязкость дизельных топлив, тем надежнее их подача, лучше фильтруемость и низкотемпературные свойства. Однако при слишком малой вязкости (меньше 2,5—3 мм²/с при 20 °С) начинает сказываться перетекание топлива через зазоры секций насоса высокого давления и форсунок, и коэффициент подачи насоса уменьшается. При этом ухудшаются смазывающие свойства топлива, что приводит к увеличению износа плунжерных пар. Поэтому в стандарте вязкость нормируется диапазоном от минимальной до максимальной при 20 °С (летнее – 3,0-6,0; зимнее – 1,8-6,0; арктическое – 1,5-4,0 мм²/с). При пуске и прогреве холодного двигателя, особенно зимой, вязкость топлива значительно выше, а при номинальном тепловом режиме — ниже указанных в стандарте предельных значений.

Определяют вязкость дизельных топлив, как и бензинов, капиллярным вискозиметром.

При низких температурах, близких к температуре помутнения, в дизельных топливах могут проявляться признаки структурной вязкости, при которой вязкость зависит не только от температуры, как в ньютоновской жидкости, но и от градиента скорости сдвига слоев жидкости. Чем выше этот показатель, тем меньше вязкость топлива при той же температуре.

При низких температурах проявляется кристаллизация высокоплавких углеводородов. Потерю подвижности нефтепродуктов вследствие образования из кристаллизующихся углеводородов каркаса, или структурной сетки, принято называть застыванием. В топливе образуются разрозненные кристаллы, которые оседают на фильтрах и влияют на ухудшение подачи топлива в цилиндры двигателя.

Температурой помутнения называют температуру, при которой топливо теряет прозрачность в результате выпадения кристаллов н-парафиновых углеводородов или микрокристаллов льда. На фильтрующем патроне в фильтре тонкой очистки образуется непроницаемая для топлива парафиновая пленка, в результате чего подача топлива прекращается.

Бесперебойная подача обеспечивается при температуре помутнения топлива на 5 ... 10 ⁰С ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется автомобиль.

Температурой застывания называют температуру, при которой дизельное топливо не обнаруживает подвижности, что определяют в стандартном приборе, наклоненном под углом 45 в течение 1 мин. Перемешивая застывшее топливо, можно разрушить кристаллическую структуру. Однако текучесть восстанавливается только на некоторое время. Для дизельного топлива с пределами выкипания 150 ... 350 С температура помутнения равна минус 13 С, а температура застывания равна минус 19 С. Соответственно для топлива с пределом выкипания 230 ... 350 С – минус 7 С и минус 12 С.

Свойства дизельного топлива по температурам помутнения и застывания оценивают, устанавливая предельно низкую температуру, при которой не возникает перебоев в его подаче из баков к двигателю. Нижний температурный предел применения дизельного топлива принимают на 3 ... 5 С выше температуры помутнения.

Низкотемпературные свойства дизельных топлив могут быть улучшены путем добавления присадок – депрессаторов. Так, присадка “А” понижает температуру застывания и предельную температуру фильтруемости, практически не влияя на температуру помутнения.

С увеличением давления (в современных топливоподающих системах давление впрыскивания может превышать 100 МПа) вязкость топлива повышается. Уже при давлении 20 МПа вязкость топлива увеличивается в 2 раза, при давлении 60 МПа — в 4 раза, при давлении 100 МПа — в 10 раз.

С понижением температуры вязкость дизельных топлив возрастает, затрудняя наполнение секций насоса высокого давления; однако практически нарушение подачи топлива наступает только при температуре ниже температуры его помутнения. Помутнение топлива связано с образованием в нем при охлаждении микрокристаллов алканов (парафина), имеющих высокую температуру застывания. При дальнейшем понижении температуры число и размеры кристаллов увеличиваются, они начинают сращиваться, образовывать структурные решетки, текучесть топлива постепенно уменьшается, и топливо застывает.

Применять топливо можно только до его помутнения. При помутнении кристаллики парафина постепенно забивают фильтры, и подача топлива прекращается. В зависимости от группового химического состава топлива температура его помутнения на 5—10⁰ выше температуры застывания. Если в топливе хотя бы в очень небольших количествах имеется вода, помутнение начинается уже при температуре минус 1—0 °С.

В целях понижения температуры застывания в топливо добавляют депрессоры, т. е. вещества, которые благодаря своей высокой поверхностной активности обволакивают тончайшей пленкой микроскопические кристаллики застывшего парафина, предотвращая, таким образом, их дальнейший рост и сращивание в пространственные структуры. Снижение температуры застывания имеет большое практическое значение, так как дает возможность перекачивать и сливать топлива при низкой температуре. При благоприятных условиях 1 % депрессорной присадки понижает температуру застывания на 20 °С и более.

Депрессорные присадки не предотвращают образование кристаллов парафина и не снижают температуру помутнения, не снижают они и опасность забивания фильтров парафином и кристалликами льда.

При размещении топливных фильтров на автомобилях и тракторах необходимо помнить о низкотемпературных свойствах дизельных топлив. Наиболее целесообразным является их размещение в подкапотном пространстве.

Эффективным средством улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив является их депарафинизация, т. е. частичное или полное удаление парафинов вымораживанием с последующим отделением застывших парафинов на специальных фильтрах. Депарафинизацию проводят только для арктических марок дизельных топлив, температура застывания которых не должна быть выше -60 °С.

Таким образом, на бесперебойную подачу топлива влияют чистота топлива, вязкость и вязкостно-температурные характеристики и низкотемпературные свойства (температура помутнения и температура застывания).