Материал: Технология глубокой переработки нефти и газа.

Окончание табл. 4.2

Остаток в колбе, %,

4.3.2. Дизельные топлива

По частоте вращения коленчатого вала различают быстроход­ ные (с числом оборотов коленчатого вала более 1000 мин-1) и тихо­ ходные дизели. Степень быстроходности в значительной мере опре­ деляет требования к качеству топлива. Значительная часть грузо­ вых автомобилей и сельскохозяйственной техники в настоящее вре­ мя оснащены быстроходными дизелями, а суда речного и морского флота, а также стационарные силовые установки - преимуществен­ но тихоходными.

136

137

По сравнению с карбюраторными дизельные двигатели имеют следующие преимущества:

-на 30 - 35% меньше расходуют более дешевое топливо;

-средняя температура рабочего цикла в дизеле ниже, что облег­ чает его охлаждение;

-применение в дизелях более тяжелого по сравнению с бензи­ ном топлива обеспечивает пожарную безопасность, облегчает транс­ портирование и хранение его;

-допускают большие перегрузки и отличаются большей устой­ чивостью в работе;

-выхлопные газы менее токсичны;

-за счет значительно меньшего времени контакта топлива с воз­ духом (топливо в дизеле впрыскивается только к концу такта,сжа­ тия) полностью устраняется опасность возникновения детонацион­ ного сгорания;

-практически неограниченная возможность обеднения горючей смеси, что позволяет изменять мощность дизеля только путем регу­ лирования подачи топлива при постоянном расходе воздуха;

-возможность использования топлив с различной испаряемос­ тью: среднедистиллятных, утяжеленных, а при определенных усло­ виях и легких типа бензина и керосина.

К недостаткам дизелей следует отнести их большую удельную массу, меньшую их быстроходность и большую затрудненность в зимних условиях запуска.

К наиболее важным показателям качества топлив для быстро­ ходных дизелей относятся: воспламеняемость, испаряемость, вяз­ кость, коррозионная активность, низкотемпературные и экологи­ ческие свойства.

Воспламеняемость характеризует способность дизельного топ­ лива к самовоспламенению в среде разогретого от адиабатического сжатия в цилиндре двигателя воздуха.

Было установлено, что конструктивные и эксплуатационные факторы, которые способствуют повышению температуры и дав­ ления воздуха, быстрому и интенсивному перемешиванию его с топ­ ливом в цилиндре двигателя, улучшают воспламеняемость, тем са­ мым процесс сгорания топлива и делают работу дизеля мягкой и эко­ номичной. Положительное влияние на работу дизеля оказывают:

138

-повышение степени сжатия;

-увеличение числа оборотов коленчатого вала;

-применение для изготовления блока цилиндров материала с низкой теплопроводностью, например, чугуна;

-применение топлив с оптимальной воспламеняемостью. Работу дизеля ухудшают повышение влажности воздуха и низ­

кие температуры окружающего воздуха.

Определение воспламеняемости дизельных топлив производится на специальной установке со стандартным одноцилиндровым двига­ телем ИТ9-3 и заключается в сравнении испытуемого топлива с эта­ лонными топливами. Мерой воспламеняемости дизельных топлив принято считать цетановое число (ЦЧ). В качестве эталонных топ­ лив применяют: цетан (н-гексадекан С 16Н34), имеющий малый пери­ од задержки самовоспламенения (ПЗВ), и его воспламеняемость при­ нята за 100 единиц ЦЧ, и а-метилнафталин, имеющий большой ПЗВ, и его воспламеняемость принята за 0.

Цетановое число - показатель воспламеняемости дизельного топ­ лива, численно равный процентному содержанию цетана в смеси с а-метилнафталином, которая по самовоспламеняемости в стандарт­ ном двигателе эквивалентна испытуемому топливу.

По сравнению с карбюраторными двигателями дизели не предъ­ являют столь высоких требований к воспламеняемости топлива, ка­ кие предъявляются, например, к детонационной стойкости автобен­ зинов. Товарные дизельные топлива должны иметь ЦЧ в определен­ ных оптимальных пределах. Применение топлив с ЦЧ менее 40 при­ водит к жесткой работе дизеля и ухудшению пусковых свойств топ­ лива. Повышение ЦЧ выше 50 также нецелесообразно, так как возра­ стает удельный расход топлива в результате уменьшения полноты сгорания. Цетановое число дизельного топлива существенно зависит от его фракционного и химического состава. Алканы нормального стро­ ения и олефины имеют самые высокие ЦЧ, а ароматические углево­ дороды - наоборот, самые низкие ЦЧ. Цетановые числа высококипящих фракций нефти, как правило, выше ЦЧ низкокипящих.

Как видно из рассмотрения влияния конструктивных и эк­ сплуатационных факторов и фракционного и химического составов топлив, требования дизелей и карбюраторных двигателей в боль­ шинстве случаев противоположна. Противоположны и причины, обусловливающие ненормальную работу этих типов ДВС: топлива с

139

высокой детонационной стойкостью обладают худшей воспламе­ няемостью. Используя эту закономерность, была выведена следу­ ющая эмпирическая зависимость между ЦЧ и ОЧ топлива:

ЦЧ = 60 -0,504 .

В ГОСТах многих стран мира, в т.ч. в бывшем СССР, цетановые числа дизельных топлив нормируется в пределах 40 - 50. При необхо­ димости повышения ЦЧ товарных дизельных топлив, на практике применяют специальные присадки, улучшающие воспламеняемость топлив, такие, как алкилнитраты (изопропил-, амилили циклогексилнитраты и их смеси). Их добавляют к топливу не более 1 % масс., преимущественно к зимним и арктическим сортам, а также топли­ вам низкоцетановым, получаемым, например, на базе газойлей каталитического крекинга. Кроме повышения ЦЧ (на 1 0 - 1 2 еди­ ниц), присадка позволяет улучшить пусковые характеристики при низкой температуре и уменьшить нагарообразование. Добавление 1,5 - 2% масс, циклогексилнитрата, например, к этилированному автобензину, позволяет использовать его как топливо для быстро­ ходных дизелей.

Механизм действия цетаноповышающих присадок заключается не в подавлении предпламенных реакций, как в случае антидетона­ торов, а наоборот, в их ускорении и способствовании разветвлению окислительных цепей и образованию новых реакционных центров вследствие замены первичной реакции разложения углеводорода топлива более выгодной в энергетическом отношении реакцией раз­ ложения присадки:

RNOj —>- RO' +NOj\

RH+NOj' —>-R'+HN02,

HNOJ -----г—> HOC + N 02‘

I—»H O '+ N O '

Радикалы HOO содействуют накоплению пероксидов, НО спо­ собствуют развитию цепей окисления, a N 02 и N 0 принимают учас­ тие в возникновении дополнительных центров высокотемпе­ ратурного воспламенения.

Испаряемость дизельных топлив. Характер процесса сгорания дизельных топлив определяется, кроме их воспламеняемости, и пол­ нотой испарения. Она зависит от температуры и турбулентности движения воздуха в цилиндре, качества распыливания и испаряемо­ сти топлива.

140

С улучшением качества распиливания и повышением темпе­ ратуры нагрева воздуха скорость испарения впрыскиваемого топли­ ва возрастает (однако степень распыливания не должна быть чрез­ мерно высокой, чтобы обеспечить необходимую дальнобойность струи). Время, которое отводится на испарение, в дизелях примерно в 10-15 раз меньше, чем в карбюраторных двигателях, и составляет 0,6 - 2,0 мс. Тем не менее в дизелях используют более тяжелые топ­ лива с худшей испаряемостью, поскольку испарение осуществляет­ ся при высокой температуре в конце такта сжатия воздуха.

Испаряемость дизельных топлив оценивается их фракционным составом. Если пусковые свойства автобензинов определялись tHк и t,»./., то для дизельных топлив они оцениваются t50%. Чем ниже эта температура, тем легче запуск дизеля. Этот показатель нормируется 280°С для летнего и зимнего сортов и 255°С для арктических дизель­ ных топлив. Считается, что t„ к дизельных топлив должна составить 180 - 200°С, поскольку наличие бензиновых фракций ухудшает их воспламеняемость и тем самым пусковые свойства, а также повыша­ ет пожароопасность. Нормируемая температура Ь ^ в пределах 330 - 360°С свидетельствует о присутствии в топливе высококипящих фракций, которые могут ухудшить смесеобразование и увеличить дымность отработавших газов.

Вязкость дизельных топлив. Топливо в системе питания ди­ зельного двигателя выполняет одновременно и роль смазочного ма­ териала. При недостаточной вязкости топлива повышается износ плунжерных пар насоса высокого давления и игл форсунок, а также растет утечка топлива между плунжером и гильзой насоса. Топливо слишком вязкое будет плохо прокачиваться по системе питания, не­ достаточно тонко распыливаться и неполностью сгорать. Поэтому ограничивают как нижний, так и верхний допустимые пределы ки­ нематической вязкости при 20°С (в пределах от 1,5 до 6,0 сСт.).

Низкотемпературные свойства. В отличие от бензинов в состав дизельных топлив входят высокомолекулярные парафиновые углево­ дороды нормального строения, имеющие довольно высокие темпе­ ратуры плавления. При понижении температуры эти углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов различной формы, и топли­ во мутнеет. Возникает опасность забивки топливных фильтров кристаллами парафинов. Принято считать, что температура помут­ нения характеризует нижний температурный предел возможного применения дизельных топлив. При дальнейшем охлаждении помут­

141