Свойства дизельного топлива

Двигатели с воспламенением от сжатия (дизели) работают на дистиллятных топливах с пределами выкипания более высокими, чем у бензина.
Важными свойствами дизельного топлива являются испаряемость, воспламеняемость (цетановое число), низкотемпературная текучесть, вязкость, содержание серы и стабильность при хранении.
Испаряемость и теплотворность дизельных топлив различных марок дизельных топлив варьируется в узких пределах, определяется плотностью, фракционным составом (температурой выкипания 50 и 90% объема при перегонке по методу ГОСТ 2177-99 ASTM D 286) и слабо влияют на работу дизеля.

Воспламеняемость (цетановое число)

Воспламеняемость влияет на легкость пуска, продолжительность «белого дымления» после пуска, приемистость до прогрева и интенсивность «дизельного стука» (жесткость работы) на холостом ходу.

Воспламеняемость напрямую определяет содержание вредных составляющих (СО и СН) в отработанных газах двигателя. 
С уменьшением задержки воспламенения процесс сгорания начинается раньше и содержание вредных составляющих в отработанных газах снижается.
Задержка воспламенения измеряется испытанием на цетановое число ГОСТ 3122-67 (ASTM D 613), в котором используется одноцилиндровый двигатель с регулируемой степенью сжатия, аналогичный двигателю по определению октанового числа бензина. Задержку воспламенения (а не стук) измеряют при фиксированной степени сжатия, и результаты сопоставляют со стандартным эталонным топливом, состоящим из смеси нормального цетана и альфаметилнафталина (в ряде стран, гептаметилноанола).
Цетановое число (ЦЧ) представляет собой содержание цетана в смеси, которая дает ту же задержку воспламенения, что и испытуемое топливо.
Дизельные двигатели широко различаются по требованиям к цетановому числу, и нет общепризнанных путей определения этих требований.

Требования дизелей к качеству применяемых топлив зависят от их быстроходности. Быстроходные дизели со средней скоростью более 10 м/сек представляют более высокие требования к цетановому числу, чем дизели со средней скоростью менее 10 м/сек.

В общем случае, в двигателях с меньшим номинальным числом оборотов используются топлива с меньшим цетановым числом. Крупные судовые дизели нормально работают на топливе с цетановыми числами до 20, тогда как изготовители современных высокооборотных дизелей легковых автомобилей требуют топливо с цетановым числом не менее 55. Большинство изготовителей дизелей для грузовых автомобилей требуют минимальное цетановое число 40-45.

Чем выше цетановое число, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жестко работает двигатель. Однако, с повышением цетанового числа сверх оптимального, несколько уменьшается экономичность двигателей и повышается дымность отработавших газов. Для отечественных быстроходных дизелей оптимальным цетановым числом является 40-50. В летнее время года могут успешно применяться топлива с октановым числом не менее 40. Для обеспечения гарантированного зимнего пуска двигателя цетановое число должно быть не менее 45.

Наиболее высокими цетановыми числами обладают парафиновые углеводороды нормального строения. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых цепей.

Для повышения (на 2-7) единиц цетанового числа могут использоваться соответствующие присадки, обычно изопропил или циклогексилнитраты. Однако их применение носит ограниченный характер, т.к. приводит к понижению температуры вспышки и повышению коксуемости топлив.

За рубежом для оценки воспламеняемости дизельных топлив наряду с цетановым индексом используют расчетный дизельный индекс. Для расчета цетанового индекса используется номограмма (ASTM D 976).

Дизельный индекс для конкретного топлива определяется по значениям плотности при 15оС и температуре выкипания 50% топлива. Этот показатель нормируется и для отечественных топлив при их поставке на экспорт.

Вязкость и плотность.

Вязкость и плотность топлив во многом определяют процессы испарения и смесеобразования в дизелях. С их увеличением растет диаметр капель, и ухудшаются условия сгорания, в результате чего увеличивается расход топлива и дымность отработанных газов. Вязкость топлива влияет на наполнение и утечки топлива через зазоры плунжерных пар.

При работе на маловязких топливах увеличивается износ деталей топливных насосов, что требует применения в их составе противоизносных присадок. Вязкость топлива зависит от его углеводородного состава, в связи с чем варьирируется в широких пределах.

Испаряемость.

Характер процесса горения в камере сгорания двигателя во многом определяется фракционным составом топлива, характеризующим его испаряемость. На сгорание топлива более легкого фракционного состава требуется меньше воздуха, за счет уменьшения времени необходимого для образования топливовоздушной смеси. При этом процессы смесеобразования протекают более полно.

Влияние фракционного состава топлив на работу двигателей с различным смесеобразованием неодинаково. Двигатели с предкамерным и вихревым образованием менее чувствительны к фракционному составу по сравнению с двигателем с непосредственным впрыском. Наличие нагретых до высоких температур стенок предкамеры обеспечивает более благоприятные условия смесеобразования.

Чрезмерное облегчение фракционного состава может привести к повышению жесткости работы двигателя.

Низкотемпературные свойства.

Низкотемпературные свойства топлив оцениваются показателем температуры застывания, которой определяют условия складского хранения топлив. Показателями температур помутнения и предельной температуры фильтруемости определяют условия применения топлив в изделиях техники .

Существует три способа получения дизельных топлив с низкой температурой застывания:

1. Снижение содержания тяжелых фракций (понижение температуры конца кипения топлива) и/или вовлечение более легких фракций. Недостатком данного способа является снижение выработки моторных топлив и понижение температуры вспышки дизельного топлива.
2. Применение депрессорных присадок. При использовании депрессантов выработка топлива не снижается, однако они позволяют снизить лишь температуру застывания и мало влияют на температуру помутнения, что ограничивает возможности их применения.
3. Наиболее эффективным способом является применение технологий, позволяющих путем изменения углеводородного состава топлива снизить температуры застывания, помутнения и фильтруемости. Этот способ позволяет вовлекать дополнительное количество тяжелых фракций в ДТ и увеличивать, таким образом, производство дизельного топлива. Данные технологии внедряются на НПЗ Компании.

Степень чистоты дизельных топлив

Степень чистоты дизельных топлив определяет эффективность и надежность работы топливной аппаратуры. Частицы размером более 4 мкм вызывают повышенный износ плунжерных пар. Чистоту топлива оценивают коэффициентом фильтруемости, который представляет собой отношение времени фильтрования через фильтр при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива по отношению к первой. На фильтруемость топлива влияет наличие воды, механических примесей. Смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот.

Содержание механических примесей в товарных дизельных топливах на месте их производства составляет 0,002-0,004%, что оценивается по ГОСТ 6370-83 как отсутствие.

Содержание серы.

Содержание серы напрямую определяет уровень вредных составляющих в отработанных газах двигателя. С уменьшением содержания серы до уровня 0,035% и ниже (экологически чистые дизельные топлива) смазывающие свойства топлив снижаются, а их уровень регламентируется показателем «пятно износа» на машине трения. Поэтому в малосернистые топлива вводятся противоизносные присадки.

Уровень выбросов, в не меньшей степени, определяет содержание ароматических углеводородов.

Сернистые соединения.

Сернистые соединения, непредельные углеводороды и металлы (ванадий, натрий) влияют на процессы нагарообразования в дизелях, являются причиной повышенных износов и коррозии. Их содержание в топливе регламентировано.

Температура вспышки.

Степень пожарной опасности определяется температурой вспышки топлива. В пожароопасных условиях, когда двигатель установлен в закрытом помещении, применяются топлива с повышенной температурой вспышки.

ГОСТ 305-82 предусматривает производство топлив для дизелей общего назначения с температурой вспышки не ниже 40оС, для судовых и тепловозных двигателей, горных машин с температурой вспышки не ниже 62 оС, что достигается повышением температуры начала кипения топлива. Такое повышение температуры начала кипения является причиной снижения выхода дизельного топлива по отношению к сырью. Поэтому топлива с повышенной температурой вспышки должны применяться строго по назначению.