Експлуатаційні властивості дизельних палив

У дизельних двигунах паливо впорскується в камеру згоряння, коли поршень знаходиться за 15-20° повороту колінчастого вала до ВМТ, де повітря стиснене під тиском 2,5-4,4 МПа і нагріте до температури 500-800°С. Перемішуючись і контактуючи з повітрям, паливо випаровується, нагрівається до температури самозаймання та згоряє. Цей процес продовжується всього 0,002-0,003 с, що в 10-15 разів швидше, ніж у карбюраторному двигуні. Тому для забезпечення задовільного проходження підготовчих і основних процесів згоряння застосовують різні способи сумішоутворювання: об’ємне, плівкове і змішане, а також паливо легкого фракційного складу.

Вимоги до дизельного палива, яке одержують внаслідок прямої перегонки нафти з додаванням до 20% продуктів каталітичного крекінгу, аналогічні загальним вимогам до всіх палив, крім того, воно повинно мати: добру прокачувальну здатність, особливо при низьких температурах; оптимальний фракційний склад і в’язкість, щоб забезпечувати якісне сумішоутворення і надійно змащувати деталі системи живлення; відповідну самозаймистість, яка забезпечує м’яку, бездимну та економічну роботу двигуна на різних режимах.

На характер надходження палива через систему живлення дизельного двигуна впливають в’язкість, низькотемпературні властивості та забрудненість механічними домішками і водою. Прокачувальною здатністю палива називають властивість його проходження через фільтри грубої й тонкої очистки, які відповідно затримують механічні домішки розмірами більше 50–60 мкм і 2–5 мкм.

В’язкість – це властивість рідини чинити опір взаємному переміщенню її шарів під дією зовнішньої сили. Зовнішньою ознакою в’язкості є ступінь рухомості рідини: чим менша в’язкість, тим рідина рухоміша, і навпаки. В’язкість залежить головним чином від хімічного складу і температури нафтопродукту, її розрізняють як динамічну, кінематичну та умовну.

Динамічна в’язкість (h) – коефіцієнт внутрішнього тертя – вимірюється в Паскаль-секундах (Па·с), або в Пуазах – П (г/см^2.с), 1П = 0,1Па·с.

Паскаль-секунда чисельно дорівнює опору, який виникає під час переміщення двох шарів рідини площею 1 м², що знаходяться на відстані 1 м і руха-
ються зі швидкістю 1 м/c під дією сили в 1 Н.

Кінематична в’язкість (g) – питомий коефіцієнт внутрішнього тертя, що виражається через відношення динамічної в’язкості до густини, при тій же температурі:

. (10)

Одиниця вимірювання – сантистокс (сСт) або м²/с (сСт = 1 мм²/c =
10^-6 м²/с).

Умовна в’язкість – величина, яка показує, у скільки разів в’язкість нафтопродукту більша або менша в’язкості дистильованої води при температурі 20°С, і вимірюється у градусах умовної в’язкості.

Для переходу від умовної в’язкості до кінематичної використовують спе-
ціальні таблиці або формулу:

. (11)

В’язкість нафтопродуктів визначають приладами – віскозиметрами. Зокрема динамічну в’язкість визначають у ротаційному або капілярному віскозиметрах. У процесі використання капілярного віскозиметра заміряють час витікання рідини t через капіляр під дією тиску р = 13,3 кПа. Динамічну в’язкість розраховують з врахуванням сталої віскозиметра с за формулою:

. (12)

Визначення кінематичної в’язкості за допомогою скляних віскозиметрів Освальда-Пінкевича, ВПЖ-2, ВПЖ-4 базується на вимірюванні часу перетікання певного об’єму рідини через капіляр під дією сили тяжіння при температурі 20°С з використанням виразу:

, (13)

де с’ – стала віскозиметра, мм²/с²; t’ – час перетікання рідини, с.

Якщо дизельне паливо має в’язкість більшу 8 сСт, утруднюється його
фільтрація, що може спричинити порушення подачі палива насосом. Також погіршується розпилення і випаровування палива. При в’язкості, меншій 1,6 сСт, порушується дозування палива внаслідок просочування його між плунжером і гільзою насоса високого тиску та зростає спрацювання усіх прицезійних деталей системи живлення. Одночасно погіршується процес сумішоутворення через утворення дуже дрібних крапель, швидкість яких у щільному повітрі зменшується, утворюючи укорочений факел. Тому не все повітря бере участь у сумішоутворенні, що призводить до неповного згоряння палива.

В’язкість і низькотемпературні властивості палива взаємопов’язані та негативно впливають на його прокачувальну здатність при низьких температурах.

Низькотемпературні властивості дизельного палива характеризуються температурою помутніння при охолодженні, до якої рідина втрачає прозорість внаслідок виділення мікрокристалів парафіну, церезину і льоду. Для надійної подачі палива системою живлення двигуна у зимовий період, ця температура повинна бути на 3–5°С нижча від температури навколишнього середовища.

Застигання палива настає при зниженні температури на 5–15°С після його помутніння. Температурою застигання називають температуру, при якій налите у пробірку паливо під час охолодження досягає такого стану, що не змінює положення меніску протягом однієї хвилини у нахиленій під кутом 45° пробірці тобто втрачає свою текучість.

Точніше характеризує прокачувальну здатність палива при низьких температурах гранична температура фільтрівності. Це температура, при якій паливо після охолодження здатне ще проходити через фільтр (металеву сітку №4) зі швидкістю 20 мл за 60 с під дією розрідження 200 мм вод. ст. Дослідження показують, що гранична температура фільтрівності дизельного палива знаходиться в інтервалі між температурами помутніння і застигання.

На нафтопереробних заводах поліпшують низькотемпературні властивості дизельних палив видаленням твердих вуглеводнів під час депарафінізації або додаванням присадок – депресорів. Це сополімери етилену з вінілацетаноном, які на 20°С і більше понижують температуру застигання і граничну температуру фільтрівності палив, але практично не змінюють температуру помутніння. У виробничих умовах для зниження температури застигання дизельного палива додають до 10 % реактивного палива або бензину, в яких температура початку кристалізації не вища мінус 60°С. Використання розчинника більше 50 % (за об’ємом) не рекомендується, оскільки значно зменшується в’язкість суміші та цетанове число.

Пари летких вуглеводнів, що входять до складу нафтопродуктів, утворюють суміші з повітрям, які вибухають під час піднесення вогню.

За температуру спалаху прийнято вважати таку температуру, за якої нафтопродукт, що нагрівається в точно визначених умовах, виділяючи необхідну кількість парів і змішуючись з повітрям, спалахує від піднесеного вогню. Цей показник дає можливість оцінити вогненебезпечність дизельного палива та втрати на випаровування у процесі зберігання. Температура спалаху літнього дизельного палива повинна бути не меншою 40°С.

У дизельному паливі не повинно бути механічних домішок і води, які осідають на дно місткостей значно довше, ніж у бензинах. Тому рекомендується перед заправкою дизельне паливо відстоювати впродовж 10 днів і застосовувати плавальний паливоприймач.

З урахуванням важливого значення фільтрації для забезпечення чистоти палива введено показник якості – коефіцієнт фільтрівності. Суть методу визначення цього показника в пропусканні 10 порцій палива, по 2 мл кожна, через фільтрувальний папір. Коефіцієнт фільтрівності – це відношення часу фільтрації останньої порції палива до часу фільтрації першої. Згідно з вимогами стандарту коефіцієнт фільтрівності повинен бути меншим 3.

Паливо для дизельних двигунів поділяють на дві фракції, що характеризуються температурами початку кипіння (180-220°С) та википання його 50 та 96% об’єму. За температурою перегонки 50% дизельного палива, яка не повинна перевищувати 280°С, можна оцінювати пускові якості, а за t _96% (не більше
340°С) – наявність важких фракцій, які погіршують сумішоутворення і повноту згоряння, підвищують димність і утворення нагару. Використання палива з дуже легким фракційним складом утруднює пуск двигуна і збільшує жорсткість його роботи.

Інтенсивність утворення лаку і нагару та корозійна активність палива залежать від вмісту сірки, якої не повинно бути більше 0,5%. Одночасно сірчисті сполуки підвищують щільність нагару. Серед сірчистих сполук найбільший вплив на нагароутворення виявляють меркаптани, які прискорюють окиснення нестабільних сполук дизельного палива і тим самим збільшується швидкість утворення відкладень. Тому вміст меркаптанової сірки не повинен перевищувати 0,01%. У процесі згоряння гідроочищених палив нагароутворення знижується в 1,5–2,0 рази.

Дизельне паливо, що містить продукти крекінгу з малостабільними ненасиченими вуглеводнями, нормується за йодним числом.

Йодне число відповідає кількості йоду в грамах, який здатний приєднатись до ненасичених вуглеводнів з подвійним зв’язком (олефіни), що знаходяться в 100 г нафтопродуктів. За стандартизованими вимогами у 100 г палива не повинно розчинятись більше 6 г йоду.

Наявність смолистих речовин також сприяє нагароутворенню. Їх вміст оцінюється вмістом фактичних смол у 100 мл палива, який не повинен перевищувати 30–60 мг.

Режим роботи двигуна оцінюється зростанням тиску в камері згоряння на 1° повороту колінчастого вала. Якщо тиск зростає на 0,25 – 0,60 МПа – двигун працює м’яко, при 0,6 – 0,8 МПа – жорстко, а вище 0,9 МПа – дуже жорстко. Інтенсивність наростання тиску залежить від кількості палива, що надходить у циліндр за період затримки самозаймання. Чим триваліший цей період, тим більше, за інших рівних умов, надійде палива в циліндр, що спричиняє різке наростання тиску, тому робота двигуна буде супроводжуватись стуками і її називають “жорсткою”.

Самозаймистість дизельного палива характеризується цетановим числом (ЦЧ), яке дорівнює відсотковому вмісту (за об’ємом) цетану в такій суміші з альфаметилнафталіном, що рівноцінна даному паливу за самозаймистістю під час випробування у стандартних умовах. Також ЦЧ палив, що не містять присадок для його збільшення та бензинових фракцій, можна визначити, знаючи густину та кінематичну в’язкість n₂₀:

. (14)

Період затримки самозаймистості цетану (С₁₆Н₃₄) відносно малий, тому його ЦЧ прийняте за 100, а в альфаметилнафталіну (С₁₀Н₇ СН₃), навпаки, ЦЧ = 0. За кордоном для характеристики самозаймання дизельного палива, поряд з ЦЧ, використовують показник – дизельний індекс.

Оптимальне значення цетанового числа 40–50. Зменшення цього показника спричиняє жорстку роботу двигуна і погіршує його запуск у холодну пору року. Однак паливо з важким фракційним складом і високим цетановим числом має гірші пускові властивості, ніж легке паливо з нижчим ЦЧ. Збільшення ЦЧ понад 50 не забезпечує суттєвого покращання ефективності роботи двигуна і спричиняє зростання питомої витрати палива за рахунок зменшення повноти згоряння палива.

Згідно з ДСТУ 3868–99 виготовляють дизельне паливо марок Л-0,1-40 та
З-0,1-(-25), де літера Л вказує, що паливо літнє, а цифра 0,1 – максимально допустиму масову частку сірки, %, та 40 – мінімально допустиму температуру спалаху в закритому тиглі, °С. Літера З вказує, що паливо зимове, а цифра 0,1 – максимально допустиму масову частку сірки, %, -25 – температуру замерзання палива, °С.

Запитання і завдання для самоконтролю

1. Оцінити вплив кінематичної в'язкості палива на роботу дизельного двигуна. Описати методику для її визначення [1, с. 33, 34, 66, 67]; [2, с. 40-42, 93,94]; [4, с. 61-63,].

2. Визначити вплив механічних домішок і води в дизельному паливі на якість роботи двигуна [1, с. 34, 35]; [2, с. 62-66]; [4, с. 44-47]; [10, с. 52-84].

3. Проаналізувати чинники, від яких залежить корозійна активність дизельного палива [1, с. 74, 75]; [2, с. 101-103].

4. Обґрунтувати умови м'якої й жорсткої роботи дизельних двигунів [1, с. 68-70]; [2, с. 81-86]; [4, с. 69-71].

5. Що називається цетановим числом? Охарактеризувати вплив цетанового числа на роботу дизельного двигуна [1, с. 70-72]; [2, с. 86-89]; [4, с. 71-73].

6. Проаналізувати вплив температури помутніння і застигання дизельного палива на роботу двигуна [1, с. 62-65]; [2, с. 93-95]; [4, с. 63, 64].

7. Охарактеризувати методи зниження температури помутніння і застигання дизельного палива [1, с. 64, 65]; [2, с. 93-95]; [4, с. 63, 64].

8. Охарактеризувати показники оцінки якості дизельного палива. Розшифрувати марки дизельного палива [8, с. 17, 18].

9. Проаналізувати вимоги до дизельного палива [1, с. 61, 62]; [2, с. 80, 81]; [4, с. 60, 61].

10. Які розрізняють в’язкості нафтопродуктів? [1, с. 33, 34].

11. Який фізичний зміст 1 Па с.? [1, с. 33].

12. Поясніть вплив фракційного складу дизельного палива на роботу двигуна. [1, с. 67, 68]; [2, с. 95-98]; [4, с. 60, 61].

13. Що характеризує йодне число дизельного палива? [1, с. 73, 74]; [2, с. 100].

Дата добавления: 2015-11-14