Статьи
Понимание плотности дизельного топлива: почему это важно?
- 21.08.2016, 21:45
Плотность дизельного топлива является критическим фактором, влияющим на производительность и экономичность дизельных двигателей. Проще говоря, плотность относится к массе вещества на единицу объема, и она может варьироваться в зависимости от таких факторов, как температура, давление и состав. Вот что вам нужно знать о плотности дизельного топлива и почему это важно.
Почему важна плотность дизельного топлива
Плотность дизельного топлива может влиять на несколько аспектов работы двигателя, включая топливную экономичность, выходную мощность и выбросы. Например, если плотность топлива слишком низкая, это может привести к плохой экономии топлива и снижению выходной мощности. И наоборот, если плотность слишком высока, это может привести к детонации двигателя, увеличению выбросов и, возможно, даже к повреждению двигателя.
Как измерить плотность дизельного топлива
Существует несколько способов измерения плотности дизельного топлива, в том числе с использованием специализированных приборов, таких как ареометры или денситометры, или с использованием расчетов, основанных на измерениях температуры и давления. Однако наиболее распространенным методом, используемым в промышленности, является измерение удельного веса топлива.
Удельный вес — это мера плотности вещества относительно плотности воды при определенной температуре. Например, дизельное топливо с удельным весом 0,85 в 0,85 раза плотнее воды. Для измерения удельного веса дизельного топлива обычно используется ареометр. Ареометр помещают в пробу топлива и оставляют свободно плавать. Затем удельный вес топлива считывается по калиброванной шкале ареометра.
Таблица плотности дизельного топлива
Плотность дизельного топлива может варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая температуру, давление и состав. В результате важно иметь доступ к точной информации о плотности для конкретного типа используемого дизельного топлива. Чтобы упростить это, доступны таблицы плотности, в которых приведены значения плотности для различных типов дизельного топлива при различных температурах и давлениях.
Например, при температуре 15 градусов Цельсия и давлении 101,325 килопаскалей (кПа) плотность дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы (ULSD) с цетановым числом 45-50 обычно составляет около 820 килограммов на кубический метр (кг/м3). Однако это значение может варьироваться в зависимости от конкретного состава топлива и других факторов.
В заключение следует отметить, что плотность дизельного топлива является критическим фактором, влияющим на производительность двигателя, топливную экономичность и выбросы. Важно точно измерять плотность дизельного топлива и использовать таблицы плотности, чтобы убедиться, что для целей калибровки и измерений используется правильная плотность топлива. Понимая плотность дизельного топлива и ее влияние на производительность двигателя, операторы могут гарантировать, что их двигатели работают плавно и эффективно.
Влияние плотности на свойства дизельного топлива
Плотность — одна из ключевых характеристик нефтепродуктов для дизельных двигателей. Этот показатель во многом определяет, насколько эффективно тот будет работать при разных температурах.
Дизельное топливо (ДТ) — смесь тяжелых углеводородов с температурой кипения 180- 360 °C, полученных перегонкой и фракционированием нефти и нефтепродуктов. В зависимости от исходного сырья, технологии получения, в состав в разных соотношениях входят:
- алканы (соединения парафинового ряда) – 10-40%;
- нафтеновые структуры — 20- 60%;
- ароматические соединения — 14-30%.
Большой разброс концентраций углеводородов разных гомологических рядов обусловлен многообразием сортов ДТ.
Удельный вес солярки разных марок варьирует в пределах 830-860 кг/м3 (при 20 °C). Как и другие характеристики, этот показатель сильно зависим от температурных колебаний. Например, снижение температуры окружающего воздуха всего на 10 °C приводит к возрастанию значения ≈ на 1%.
Для изменения удельного веса ДТ предназначены специальные приспособления — ареометры серии АН для нефтепродуктов. Они представляют собой запаянную стеклянную трубку со шкалой.
Параметры, которые зависят от плотности топлива
Значение удельного веса оказывает прямое влияние на реологические свойства ДТ. Продукция с высоким удельным весом обладает повышенной вязкостью по сравнению с более легкими материалами.
Для разных марок значение вязкости колеблется в диапазоне 1,5 – 6,0 мм2/с (данные приведены для 20 °C). Вязкость — величина непостоянная и сильно зависит от температуры. При ее повышении текучесть солярки возрастает.
Подвижность ДТ оказывает большое влияние на основные параметры работы двигателя — скорость прокачки по подающим каналам, фильтрацию, распыление в форсунках. Снижение вязкости приводит к просачиванию горючего в зазоры насоса, за счет чего уменьшается его подача. Со временем прогорает головка поршня, и двигатель выходит из строя. Если солярка густеет, происходит блокирование фильтров, возникают проблемы при запуске.
От плотности зависит теплотворная способность ДТ. Чем она выше, тем больше тепловой энергии высвобождается от сгорания топлива и тем выше КПД двигателя. Тяжелые сорта солярки экономичнее в расходе.
С величиной удельного веса тесно связан и температурный предел эксплуатации. Он ограничен значением температуры помутнения, при которой в жидкости появляются твердые частицы. Понижение температуры на 5-10 °C приводит к утрате текучести, и продукт превращается в студнеобразную субстанцию.
Критерий сезонного выбора горючего
Плотность ДТ — универсальный показатель, позволяющий четко разделить многочисленные типы продукции на классы в зависимости от погодных условий, в которых они способны эффективно работать. По сезонному признаку выделяют:
- ДТЛ — летние сорта горючего (плотность — 845 –865 кг/м3, кинематическая вязкость — от 3,8 до 6,0 сСт), рекомендуются для использования при плюсовых температурах. Ниже 0 °C начинают густеть, при –10 °C застывают. Отличаются более высоким КПД по сравнению с зимними марками;
- ДТЗ — зимние сорта (плотность — 825 – 845 кг/м3, вязкость — от 1,8 до 5,0 сСт) — предназначены для работы в температурном диапазоне от -30 до 0 °C . Этот тип горючего самый популярный у автомобилистов РФ, а в средней полосе — практически внесезонный;
- ДТА — арктическое горючее (плотность — 760 – 820 кг/м3, вязкость — 1,5 – 4,0 сСт) сохраняет работоспособность до -55 °C. Незаменимо для регионов с особо холодным климатом.
Вид топлива необходимо выбирать по погодным условиям: в морозы — с максимальной текучестью, летом — с минимальной.
ООО НефтеГазЛогистика реализует сертифицированное горючее ведущих российских НПЗ. Мы предлагаем дизельное топливо:
Какое влияние плотность дизельного топлива оказывает на работу двигателя
Дизельное топливо используется для заправки автомобилей, сельскохозяйственной и железнодорожной техники. Качество солярки определяется ГОСТами и ТР ТС и влияет на работоспособность ДВС, в частности – плотность дизельного топлива. Она изменяется в соответствии с внешними факторами.
Плотность топлива дизельного зависит от наличия тяжелых фракций. При повышении КПД мотора ухудшается испаряемость, происходит ускоренное накопление нагара.
1. Что такое «плотность дизельного топлива»
Плотность дизельного топлива – удельный вес, т. е. отношение веса к объему топлива. Величина зависит от вида горючего и температуры. Измеряется в «кг/м³», «г/см³».
2. Эталонные значения
Вычисление удельной массы ДТ выполняют при 20 °С. Отклонение температуры требует корректировки на коэффициент. При нагреве топлива производят вычитание, при охлаждении – сложение.
3. Какие параметры оказывают влияние
При измерении плотности дизельного топлива учитывают тип горючего, колебания температуры и наличие присадок. Это связано с тем, что происходит изменение эталонных показателей – массы, объема.
4. Зависит ли плотность дизтоплива от температуры
Плотность ДТ зависит от колебаний температуры. Оптимальные показания наблюдаются при 20 °С.
5. Расчетные нормы
Контролеры при проверке объема солярки в цистернах, бочках принимают во внимание изменение плотности горючего. Расчеты ведутся с учетом корректирующих коэффициентов и сравнения показателей с табличными данными.
6. Разница плотности летом и зимой
В соответствии с существующими стандартами, показатели удельной массы солярки определяются так:
летний период (плюсовые температуры) – 860 кг/м3;
отрицательные показатели (зима до – 35 °С) – 840 кг/м3.
Для северных регионов (работает до –50 °С) плотность дизельного топлива составляет 830 кг/м3.
При превышении показателей температуры горючее густеет и забивает систему подачи топлива за счет наличия парафинов.
Пример вычисления плотности ДТ
Алгоритм получения показателей горючего:
Находим табличное значение (в г/см3) горючего при 20 °С.
Определяем степень нагрева солярки градусником. Предположим, получили значение 31 °С.
Производим вычисление температурного отклонения 31 – 20 = 11 °С.
Определяем корректировочный коэффициент: 11 х 0,0007 = 0,0077 (г/см3).
Вычисляем плотность. Для этого из значения ДТ по паспорту вычитаем поправочный коэффициент.
Если температурные показатели меньше 20 °С, то алгоритм вычислений аналогичен. Но последнее действие – суммирование, а не вычитание.
7. Зависимость экономичности от плотности
Прямой зависимости нет. Плотность зимнего дизельного топлива отличается от летнего требованиями ГОСТ и температуры.
Утверждение, что зимнее горючее менее экономично — неверно. Зимой расход горючего увеличивается из-за лишних затрат: подогрева антифриза, магистралей, блока цилиндров, кабины и прочего.
8. Как вычислить плотность при 20 °С
Теоретическое вычисление предполагает:
Проведение замеров ареометром и градусником в емкости, где находится горючее.
Вычисление разницы температур.
Применение корректировочного коэффициента.
Полученные результаты определяют тип топлива. Это влияет на вязкость горючего и способность использования в различных климатических зонах.
9. Зависимость плотности, расхода и эксплуатации
По плотности можно определить, при каких условиях может быть использовано горючее, какое влияние оказывается на работу двигателя. Если неправильно выбрать солярку, то:
снизится мощность мотора;
ухудшится пусковой и крутящий момент.
Также в таком случае при передвижении в сложных условиях (дождь, снег, крутые подъемы и спуски) при нормативной нагрузке автомобиля будет наблюдаться перерасход топлива, чрезмерный износ двигателя.
10. Зависимость плотности от качества ДТ
Плотность влияет на количество фракций в составе горючего. Так, повышенные показатели сообщают о том, что в ДТ содержатся тяжелые углеводороды. Они ухудшают процесс выброса солярки, снижают скорость образования топливной смеси. Данные процессы провоцируют нарушение в работе мотора, увеличивают потребление солярки и повышают образование нагара.
11. Что регулирует ГОСТ
Требования ГОСТ определяют нормативы, которые предъявляются к ДТ в зависимости от вида. Учитывают:
климатические условия использования;
экологический класс и прочие параметры.
Все это влияет на технические показатели горючего, сферу его использования.
Какие требования предъявляют к составу дизтоплива
ГОСТ Р 305-82 и 52368-2005 определяют допустимое количество примесей, плотность по маркам. Превышение обозначенных показателей негативно сказывается на работе ДВС, силе впрыска горючего, составе отработанного газа.
Требования ГОСТ не допускают наличия водных растворов из-за возможности появления коррозии, повреждения фильтров и насосов.
12. Почему зимой расход больше
Плотность дизельного топлива определяет выделяемое количество энергии при работе ДВС. За счет того, что зимнее дизтопливо менее плотное, чем летнее, увеличивается расход топлива (из-за меньшего выделения энергии). При этом в зимнее время горючее расходуется на обогрев кабины водителя, топливной системы, разогрев масла и т. д.
Однако использовать летнее топливо категорически запрещено, поскольку в его составе содержатся парафины. Они снижают текучесть солярки, а при пониженных температурах превращают топливо в гель.
13. Может ли солярка замерзнуть
Солярка густеет в зависимости от количества фракций и плотности при низких температурах. Вязкость определяется типом горючего и объемным содержанием фракций. Если в дизтопливе есть вода, то при температуре ниже 0°С происходит кристаллизация (образуется лед внизу бака). Это препятствует поступлению солярки в топливную систему. При отогревании топливной системы подача горючего возобновляется.
14. Как проверить, что в продаже зимнее топливо
Поступление на АЗС горючего зависит от сезона. В теплый период реализуется летнее ДТ, а в холодное время года – зимнее. Определить, какое топливо вам продали, довольно легко. Нужно поместить около 100 мл горючего в прозрачную емкость, после чего поставить его в морозилку. Если жидкость начнет мутнеть, это значит, что в составе присутствуют парафины. Зимнее топливо должно сохранять свои свойства при температуре до –22 °С, а арктическое – до –34 °С (но в холодильнике данные показатели не достигаются).
5. Самостоятельное определение плотности
Проверить плотность ДТ в зимнее время самостоятельно можно несколькими способами. Для этого выполняют:
Оценку текучести. Небольшое количество ДТ наливается на металлическую поверхность. Если топливо хорошо стекает, остается жидким и не мутнеет, то солярка пригодна для использования. Если горючее стекает плохо, мутнеет, то при использовании начнется его кристаллизация, что приведет к обездвиживанию автомобиля. Данный способ применяется при температуре ниже –10 °С.
Проверку консистенции. Если температура ниже –20 °С, то можно оценить капли на заправочном пистолете. Отмечается помутнение, загустение? Лучше заправиться на другой АЗС.
Оценку точных данных. Можно получить при использовании ареометра. Для этого нужно прогреть топливо до + 20 °С, выполнить замеры и сравнить полученные результаты с табличными.
Если оценка ДТ производилась после заправки, и полученные данные указывают, что горючее не соответствует показателям, следует уменьшить скорость кристаллизации. Для этого в бак добавляют качественную солярку.
16. Шаг изменения плотности
Корректирующий коэффициент – шаг изменения веса. В соответствии с ГОСТ, он равен 0,0007 единиц.
17. Показатели нефтепродуктов
Плотность топлива дизельного выше по сравнению с бензином. Так, АИ-92 определяется на уровне 0,76 г/см3, у АИ-95 – около 0,75 г/см3, для АИ-98 – 0,78 г/см3. У сжиженного газа самая низкая плотность – 0,53 г/см3, а у авиационного керосина – 0,81 г/см3.
Данные показатели определяются присутствием легких фракций, температура кипения которых составляет + 50 °С. Топливо остается одинаково текучим в любое время года. Кристаллизация начинается от – 60 °С.
18. Формулы расчета основных показателей ДТ
Для получения корректных данных учитывают температурные показатели, сорт горючего, корректировочный коэффициент (для дизельного топлива – + 20 °С, для бензинов – + 15 °С). У полученных результатов может быть небольшая погрешность (зависит от приборов). Точные результаты получают в лабораториях на специализированном оборудовании.
19. Расчет веса
Для определения веса нефтепродукта необходимо умножить плотность на объем топлива.
На нефтебазах топливо хранится в цистернах, на которых есть метки и маркировочные таблицы с указанием погрешности измерений.
20. Считаем объем
В процессе реализации продукции нужно определять объем топлива. Расчет предполагает деление массы на плотность топлива. Из сопроводительных документов получают значение массы, а по сорту из документации узнают плотность дизельного топлива. При отсутствии данных производят замеры ареометром.
Какое влияние плотность дизельного топлива оказывает на работу двигателя
Тема 4
Дизельные топлива. Свойства и показатели дизельных топлив, влияющие на подачу и смесеобразования
Дизельное топливо после бензина относится к самым массовым продуктам, применяемым на автомобильном транспорте. Дизельные двигатели по сравнению с карбюраторными обладают лучшей топливной экономичностью, удельный расход топлива у них примерно на 30 % ниже, чем у карбюраторных двигателей.
Дизельным топливом называется нефтяная фракция, основу которой составляют углеводороды с температурами кипения в пределах от 200 до 350º С.
По внешнему виду дизельное топливо представляет собой прозрачную, по сравнению с бензином более вязкую жидкость, окрашенную имеющимися в ее составе смолами в цвета от желтого до светло-коричневого. Дизельное топливо легче воды и практически в ней не растворяется.
Дизельное топливо производиться из отбензиненной нефти, благодаря чему увеличивается выход из нефти жидких топлив.
Технико-экономические требования к дизельным топливам.
Дизельное топливо должно:
— бесперебойно поступать в цилиндры двигателя при любых температурах (сохранять подвижность до возможно более низких температур) и обеспечивать легкий пуск двигателя:
— обеспечивать хорошее распыление и смесеобразование в цилиндрах двигателя;
— легко воспламеняться и плавно сгорать, обеспечивая мягкую и бездымную работу двигателя;
— быть в необходимой степени химически стабильными;
— обладать минимальным коррозионным воздействием на металлы;
— не содержать механических примесей и воды.
Свойства и показатели ДТ, влияющие на подачу
Вязкость дизельного топлива, равно как и других жидкостей, характеризует его подвижность, величину внутреннего трения, взаимную силу сцепления молекул. Она может быть выражена в единицах динамической и кинематической вязкости. Для дизельного топлива указывается кинематическая вязкость.
Динамическая вязкость измеряется величиной внутреннего трения. Единицей динамической вязкости является пуаз (П). динамическую вязкость в 1П имеет такая жидкость, у которой между двумя бесконечно тонкими слоями площадью 1 см 2 , находящимися друг от друга на расстоянии 1 см и перемещающимися с относительной скоростью 1 см/с, возникает сила равная 1 дине.
Кинематическая вязкость измеряется удельным коэффициентом внутреннего трения и представляет собой отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности при температуре определения
Единицей кинематической вязкости является стокс (Ст). Кинематическую вязкость в 1 Ст имеет жидкость, у которой динамическая вязкость равна 1П и плотность 1 г/см 3 . Сотая доля стокса называется сантистоксом (сСт).вязкость дистиллированной воды при 20,2º С равна 1 сСт.
К основным требованиям по качеству дизельного топлива относиться прокачиваемость его по топливной системе, обеспечивающая подачу топлива в цилиндры двигателя в необходимом для заданного режима количестве.
Одним из показателей, которым оценивается прокачиваемость, является вязкость. Вязкость топлива влияет непосредственно на процесс образования смеси. От нее зависит надежность и ресурс топливной аппаратуры двигателя. Топливо с чрезмерно высокой вязкостью будет оказывать значительное сопротивление при движении по трубопроводам, через фильтры, отверстия форсунок и т.д. При использовании топлива с очень низкой вязкостью ухудшается смазка деталей насоса высокого давления и нарушается дозировка подачи топлива. Кроме того, при использовании топлива с малой вязкостью дальнобойность его струи оказывается недостаточной вследствие чрезмерного распыливания. Недостаточная вязкость приводит к неоднородности рабочей смеси, ухудшению процесса сгорания и перегреву форсунок. Капли высоковязкого топлива получаются крупными, с излишне большой дальнобойкостью образующегося из них факела, что ведет к замедленному их испарению и частичному оседанию на днище поршня, а также на стенки камеры сгорания.
Из выше сказанного следует, что топливо для быстроходных дизельных двигателей должно обладать оптимальной вязкостью (при 20º С) и находиться для летней эксплуатации в пределах 3,0-6,0, для зимней 1,8-6,0, для арктических условий – в пределах 1,5- 4,0 мм 2 /с.
Низкотемпературные свойства
Низкотемпературные свойства жидких углеводородных топлив зависят от группового и фракционного состава. Наихудшими низкотемпературными свойствами обладают парафины (алканы) и ароматические углеводороды, наилучшими — циклоалканы. Углеводороды, входящие в состав ДТ, имеют высокую температуру кристаллизации, это, прежде всего, относится к нормальным алканам. При понижении температуры окружающей среды эти углеводороды видны невооруженным глазом как отдельные кристаллики.
Наивысшая температура, при которой топливо теряет прозрачность, называется температурой помутнения. При этом топливо не теряет свойство текучести. Значение вязкости при повышении температуры увеличивается незначительно, однако кристаллы, проникая через фильтр грубой очистки, образуют непроницаемую для топлива пленку на фильтре тонкой очистки, что приводит к прекращению подачи топлива.
Следует учитывать, что температура помутнения должна быть на 3—5 °С ниже температуры окружающей среды.
При дальнейшем охлаждении ДТ наступает сращивание отдельных кристаллов в каркас, который пронизывает все топливо, сковывая его. Топливо теряет текучесть.
Наивысшую температуру, при которой топливо теряет текучесть, называют температурой застывания. Она должна быть на 8—12 °С ниже температуры окружающей среды.
Для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив проводят их частичную депарафинизацию и добавляют специальные присадки (депрессоры).
Температуры застывания и помутнения определяют в специальном приборе по ГОСТ 20287—91.
Температуру застывания можно понизить путем введения депрессорной присадки (например, АзНИИ—ЦИАТИМ-1).
Физическая и химическая стабильность
Под воздействием внешних факторов в ДТ протекают физические и химические процессы, основными из которых являются испарение, загрязнение механическими примесями и водой, выпадение высокоплавких компонентов при охлаждении, окисление, разложение, конденсация.
При перекачке топлива происходит испарение легких фракций, что приводит к ухудшению его пусковых свойств. При хранении, транспортировке, заправке топливо вступает в контакт с воздухом, который содержит влагу. Поэтому в ДТ вводят антикристаллизационные присадки. Окисление ДТ увеличивает содержание фактических смол. В зимних марках их должно быть не более 30 мг на 100 мл топлива, а в летних — не более 40 мг.
Механические примеси и вода в дизельных топливах.
Дизельное топливо, как и бензины, не должно содержать механических примесей и воды.
При положительных температурах вода с топливом образует эмульсию, разрушающую фильтрующие элементы фильтров тонкой очистки, а при отрицательных температурах вода превращается в кристаллы льда, которые закупоривают топливные фильтры.
Содержание воды в нефтепродуктах, равное 0,025 %, принято называть следами. Такое количество воды допустимо только в летних дизельных топливах, которые разрешается применять в период с 1 мая по 1 октября.
Механические примеси могут попасть в дизельное топливо при его хранении, транспортировании и заправке автомобиля. Наибольший вред механические примеси наносят плунжерной паре насоса высокого давления, а так же форсунке. Механические примеси засоряют топливные фильтры, в результате чего затрудняется подача топлива.
Свойства и показатели ДТ, влияющие на смесеобразование
Топливо в цилиндры двигателя подается в жидкой фазе. С момента введения в цилиндр первой порции топлива начинается подготовка этой и последующих порций к сгоранию, на что требуется определенное время (t1), называемое периодом задержки самовоспламенения (период задержки самовоспламенения складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешивание паров топлива с воздухом, а также времени, необходимого для завершения предпламенной реакции и формирования очагов самовоспламенения). Если величина периода задержки укладывается в определенные пределы, то в работе дизеля не происходит недопустимых отклонений от нормы. Следствием увеличения задержки самовоспламенения (t2) является очень интенсивное тепловыделение на первой стадии горения, в результате чего создается очень высокая скорость нарастания давления. Если при этом темп повышения давления превзойдет 0,6 МПа на один градус поворота коленчатого вала, то возникает ненормальная, а так называемая жесткая работа дизеля. При жесткой работе дизельного двигателя его детали работают с перегрузкой, что приводит к ускоренному их износу и поломкам, перерасходу топлива, дымному выпуску и снижению мощности.
Период задержки самовоспламенения складывается из времени, затрачиваемого на распад топливной струи на капли, частичное их испарение и смешивание паров топлива с воздухом, а также времени, необходимого для завершения предпламенной реакции и формирования очагов самовоспламенения.
Испаряемость
Чем выше испаряемость топлива, тем качественнее проходит смешивание его с воздухом, а значит и его сгорание. До конца может сгореть только полностью испарившееся топливо. Если же топливо находится в капельно-жидком состоянии, то в процессе горения участвует только оболочка капель. Ядро же под воздействием высокой температуры превращается в сажу и выбрасывается с отработавшими газами, загрязняя окружающую среду.
Испаряемость ДТ зависит также и от конструктивных особенностей дизеля. Форма камеры сгорания, конструкция и размер сопловых отверстий форсунок, а также давление и направление впрыска топлива — факторы, которые влияют на оптимальное перемешивание топлива с воздухом, а значит и испаряемость. Вязкость, плотность, фракционный состав, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение имеют такое же значение для испаряемости дизельного топлива, как и у бензинов.
Испаряемость ДТ оценивается его фракционным составом, т. е. температурами t10, t50, t96, tНР и tКР. ГОСТ устанавливает лишь t50 и t96. В зависимости от марки ДТ t50 колеблется от 255 до 280 °С; a t96 — от 330 до 360 °С.
При плохой испаряемости ДТ возникают затруднения при пуске двигателя, ухудшается его экономичность и увеличивается дымность отработавших газов. Однако топливо с высокой испаряемостью имеет худшую самовоспламеняемость.
Плотность и поверхностное натяжение
На процесс смесеобразования значительное влияние оказывают плотность и поверхностное натяжение ДТ. Плотность ДТ 830—860 кг/м 3 . В дизеле повышение плотности топлива, например при понижении температуры, вызывает увеличение расхода топлива по массе при его объемном дозировании. Кроме того, это повышает максимальное давление в трубопроводах системы питания. В итоге увеличение плотности дизельного топлива приводит к некоторому обогащению рабочей смеси.
Плотность и поверхностное натяжение наряду с вязкостью оказывают влияние на качество распыления топлива. Чем более мелкую структуру капель будет иметь распыляемый факел топлива из форсунки, тем быстрее произойдёт переход его в парообразное состояние.
Свойства и показатели ДТ, влияющие на самовоспламенение и процесс сгорания
Воспламенение ДТ, как и любого другого вида топлива, зависит от температуры в очаге возгорания. Температура самовоспламенения ДТ определяется его химическим составом.
Цетановое число
Способность ДТ самовоспламеняться оценивают цетановым числом (ЦЧ). Метод оценки самовоспламеняемости топлив для быстроходных дизелей аналогичен методу оценки детонационной стойкости бензинов. В качестве эталонных топлив для определения самовоспламеняемости выбирают два углеводорода: цетан С16Н34 и альфаметилнафталин С10Н7СН3. Самовоспламеняемость первого углеводорода условно принята за 100, второго — за 0. Смешивая их можно получить смесь с самовоспламеняемостью от 0 до 100. Таким образом, цетановым числом называется условный показатель, численно равный процентному содержанию цетана в такой его смеси с альфаметилнафталином, которая по самовоспламеняемости соответствует испытуемому образцу.
Цетановое число ДТ определяют методом совпадения вспышек (рис. 1).
Для безотказной работы современных двигателей требуется топливо с цетановым числом летом — не менее 45, зимой — 50. При цетановом числе ниже 45 дизели работают жестко, 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.
Рис. 1 Установка ИТ9-3 для определения цетановых чисел ДТ:
1 — пульт управления; 2 — топливные бачки; 3 — подогреватель воздуха;
4 — зеркало для наблюдения за вспышками; 5 — механизм изменения степени сжатия; 6 — форсунка; 7 — одноцилиндровый двигатель; 8 — насос высокого давления
ДТ не всегда обеспечивают необходимую самовоспламеняемость, поэтому возникает необходимость в повышении цетанового числа. Существуют два основных метода: изменение химического состава и введение специальных присадок.
Что касается надежности холодного пуска двигателя при различных температурах окружающей среды, то он в большей степени зависит от конструкции двигателя и режима пуска, чем от ЦЧ топлива. При температуре в камере сгорания ниже 350—400 °С горючая смесь уже не будет в состоянии воспламеняться. Минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала дизеля должна быть 100—120 мин -1 . И чем выше пусковая частота, тем выше температура сжимаемого воздуха, а значит и условия пуска двигателя.
Цетановое число зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в состав ДТ. Цетановые числа алканов — самые высокие, самые низкие числа имеют ароматические углеводороды. Углеводороды, входящие в состав ДТ, по ЦЧ располагаются следующим образом: 1 — алканы, 2 — циклоалканы, 3 — изоалканы, 4 — ароматические углеводороды. Увеличение числа углеродных атомов в молекулах углеводородов приводит к увеличению цетанового числа.
Таким образом, повышение содержания н-алканов приводит к увеличению ЦЧ. Однако н-алканы имеют высокую температуру кристаллизации, что приводит к ухудшению низкотемпературных свойств ДТ.
Введение в ДТ специальных кислородсодержащих присадок способствует легкому выделению активного кислорода. К таким присадкам относятся органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты, которые, попадая в камеру сгорания, ускоряют образование перекисей, от разложения которой ускоряется процесс самовоспламенения. Так, добавление 1 % изопропилнитрата повышает ЦЧ на 10—12 единиц и улучшает пусковые свойства ДТ в зимнее время.
Существует эмпирическая зависимость цетанового числа топлива от его октанового числа.
где ЦЧ — цетановое число; ОЧ — октановое число.
Чем выше октановое число, тем ниже его цетановое число и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензиновых фракций всегда ведет к снижению его цетанового числа.
Свойства и показатели ДТ, влияющие на образование отложений
Коррозионные свойства ДТ, как и бензинов, зависят от содержания в них серы, сернистых и кислотных соединений. Наиболее агрессивной является так называемая активная сера (элементарная сера, сероводород и меркаптаны).
Присутствие в ДТ таких активных сернистых соединений, как меркаптанов, резко увеличивает износ плунжерных пар топливных насосов высокого давления и игл распылителей форсунок. Поэтому содержание меркаптановой серы в ДТ должно быть не более 0,01 %.
Гораздо сложнее обстоит дело с газовой коррозией, которая получается в результате образования при высокой температуре в камере сгорания сернистого ангидрида, вступающего при охлаждении в реакцию с парами воды и образующего серную кислоту. Для нейтрализации вредного воздействия кислот в ДТ вводят противокоррозионные присадки.
ДТ с суммарным содержанием неактивных сернистых соединений не более 0,2 % не вызывают осложнения в работе двигателя и могут применяться без ограничения. В настоящее время большинство нефтепродуктов производят из сернистых нефтей и содержание неактивной серы достигает 0,5 %.
ДТ по содержанию неактивной серы делятся на две подгруппы. В топливах первой подгруппы серы должно быть не более 0,2 %. В топливах второй подгруппы для летних и зимних марок от 0,21 до 0,5 %, для арктических — от 0,21 до 0,4 %.
Содержание сернистых соединений настолько важный параметр, что его отражают в марке ДТ.
Кислотность характеризует содержание в ДТ кислых соединений. ДТ должны оказывать минимальное коррозионное воздействие на металлы, т. е. не содержать минеральных кислот и щелочей; содержание органических кислот огранивается до 5 мг КОН на 100 мл топлива.
Содержание фактических смол в ДТ характеризует его склонность к нагару. Способность ДТ к осмолению зависит от наличия в нем непредельных углеводородов. О количестве последних судят по йодному числу. Йодное число численно равно количеству граммов йода, присоединившихся к непредельным углеводородам, которые содержатся в 100 г топлива. Непредельные углеводороды вступают в соединение с йодом, и чем их больше в топливе, тем больше йода вступает в реакцию. Содержание смолистых веществ в дизельных топливах оценивается, так же как и в бензинах, определением содержания фактических смол. С повышением содержания фактических смол в дизельном топливе склонность к нагарообразованию возрастает. Одно из требований к качеству дизельного топлива — содержание фактических смол не должно превышать 36—60 мг на 100 мл.
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 навески топлива в специальном приборе.
Зольность топлива характеризует содержание в нем несгораемых примесей. Содержание золы повышает нагарообразование. Попадая в масло, зола вызывает ускоренный износ деталей. Допустимое содержание золы в дизельном топливе 0,01—0,02 %.
Марки дизельных топлив
Для эксплуатации автомобилей используются ДТ трех марок: Л (летнее), З (зимнее), А (арктическое). Все марки могут применяться для любого автомобильного дизеля. Выбор той или иной марки зависит только от климатических условий и низкотемпературного показателя топлива.
По марке ДТ можно определить содержание неактивных сернистых соединений и температуру вспышки или застывания. Например, марка ДТ Л — 0,11 — 58 ГОСТ 305 — 82 свидетельствует о принадлежности данного топлива к первой подгруппе с температурой вспышки 58 °С; марка 3—0,2 минус 45 ГОСТ 305—82 — о зимнем топливе, содержании 0,2 % сернистых соединений, температуре застывания не выше минус 45 °С.
Все компоненты дизельных топлив обладают высокой стабильностью, поэтому для всех марок установлен гарантийный срок хранения в 5 лет. По общему содержанию серы каждая марка делится на две подгруппы. Общее содержание серы в процентах обязательно указывается в маркировке. В условное обозначение топлива марки А должны входить значение массовой доли серы и температура вспышки (Температура вспышки ограничивает содержание в топливе наиболее легких фракций и характеризует его огнеопасность. Температура вспышки — это та наименьшая температура, до которой нужно нагреть дизельное топливо в закрытом тигле, чтобы его пары образовали с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.), например Л-0,2-40; топливо марки З – массовая доля серы и температура застывания, например З-0,2-35; топливо марки А – массовая доля серы.
Важно помнить, что ДТ второй подгруппы можно применять только при использовании для смазывания двигателя масла, содержащего многофункциональные присадки (ВНИИНП-370, ВНИИНП-360 и др.), обладающие моющими свойствами и нейтрализующие серный и сернистый газы. В противном случае повышается износ деталей двигателя в 1,5—3 раза.
Для уменьшения вредного влияния сернистого топлива необходимо поддерживать нормальный тепловой режим двигателя, т. е. не снижать температуру, чтобы избежать конденсации влаги, и чаще менять фильтрующие элементы масляных фильтров и масло в картере двигателя.
Основные показатели ДТ приведены в табл. 1
Таблица 1. Основные показатели дизельных топлив
Для холодной климатической зоны топливо марки «З» имеет температуру застывания не выше —45 °С и температуру помутнения — не выше —35 °С.
В табл. 2 показано соответствие марок ДТ российского и зарубежного производства.
Таблица 2. Соответствие марок ДТ российского и зарубежного производства
Установлены две марки дизельного летнего экологически чистого топлива:
ДЛЭЧ-В – с ограниченным содержанием ароматических углеводородов (один вид топлива с массовой долей серы не более 0,05 %, другой — не более 0, 1 %);
ДЛЭЧ – без ограничения содержания ароматических углеводородов (один вид топлива с массовой долей серы не более 0,05 %, другой — не более 0, 1 %).
ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ применяют при температуре окружающего воздуха до -5º С.
Для использования в районах Крайнего Севера и Арктики вырабатывается арктическое экологически чистое дизельное топливо (ТУ 38.401.5845-92), которое имеет температуру застывания -55º С и содержит ограниченное количество ароматических углеводородов (5-10 %).
Для эксплуатации техники в зимний период при температуре до -15º С вырабатываются дизельные зимние топлива с депрессорной присадкой ДЗп (ТУ 38.101.889-81), которые изготавливаются на основе летних дизельных топлив с содержанием серы 0,2 или 0,5 %. Дизельное топливо ДЗп-15/25 рекомендовано для применения при температуре наружного воздуха до -25º С.
На экспорт вырабатывается дизельное топливо ДЛЭ и ДЗЭ (ТУ 38.001.162-85) с содержанием серы 0,2 %.
В районах газовых месторождений Западной Сибири и Крайнего Севера допущены к применению газоконденсатные широкофракционные летнее (ГШЛ), зимнее (ГШЗ) и арктическое (ГША) дизельные топлива.