Дизельное топливо. Качество и характеристики. Цетановое число.

Дизельное топливо

Дизельное топливо перегоняется из сырой нефти. Оно состоит из множества различных углеводородных соединений: п- и i-парафинов, олефинов, нафтенов и ароматиков. Температура кипения всех перечисленных соединении лежит в пределах между 160...380°С (средние дистилляты). Дизельное топливо воспламеняется при температуре около 350°С, в то время как температура воспламенения бензина составляет 5(Ю°С. Чтобы покрыть растущие потребности в дизельном топливе, нефтеперегонные заводы добавляют в него продукты термического и каталитического крекингов. Последние получают расщеплением длинных цепей молекул мазута. 

Качество и характеристики


В основном качество топлива заметно улучшается введением ряда добавок (см. табл. 2 в конце главы). Сегодня в действующем европейском стандарте EN 590 установлены 16 параметров качества. Во многих других государствах и регионах не имеется никаких норм на топливо или эти нормы недостаточно строги. Например, стандарты США ASTM D975 на дизельное топливо предписывают меньше критериев и лимитируют их не так строго. Требования для судовых и стационарных двигателей также не очень жесткие. Табл. 1 показывает некоторые из самых важных параметров EN 590. Наряду с этим европейскими производителями автомобилей устанавливаются общие требования к качеству дизельного топлива, которые поддерживаются также фирмой Bosch. Эти требования помогают соблюдать соответствие ужесточающимся нормам на выброс вредных веществ.

Дизельное топливо высокого качества отличается следующими показателями:
• высокое цетановое число;
• относительно низкая температура окончания разгонки;
• плотность и вязкость с незначительными разбросами величин;
• низкое содержание ароматиков и, в частности, полиароматнков;
• низкое содержание серы (< 0,001%). Кроме того, для долговечного и неизменного функционирования системы впрыска особенно важны:
• хорошие смазывающие свойства;
• отсутствие воды;
• незначительное содержание загрязнений.

 


boschdiesel 34

 

Таблица 1
В Германии С 01.01.2003 г. и в ЕС с 01.01.2005 г. запрещено использование дизельного топлива с содержанием серь свыше 0.001%


 

Цетановое число


Цетановое число оценивает способность дизельного топлива к воспламенению и поэтому имеет решающее значение. Чем выше цетановое число, тем легче воспламеняется топливо. Цетановое число, в соответствии с нормами, определяется на специальном одноцилиндровом двигателе, где задержка воспламенения для проверяемого топлива устанавливается подбором степени сжатия. Затем подбирается эталонное топливо ия цетана и /7-метилнафталина (рис. 1), которое будет работать с той же степенью сжатия. В процессе оценки соотношение компонентов смеси изменяют до тех пор, пока не получится та же задержка воспламенения. Цетановое число проверяемого топлива соответствует процентному содержанию цетановой части смеси (например: смесь из 52% цетана и 48% а-метилнафталнна имеет цетановое число 52).

Нормальные парафины (п-парафины), содержащиеся в топливе, имеют высокое цетановое число, ароматики (преимущественно продукты крекинга) — низкое, парафины, олефины и нафтены — среднее.
Для увеличения цетанового числа в топливо могут быть введены добавки, ускоряющие воспламенение. С увеличением цетанового числа снижаются уровень эмиссии NOx и шум работы дизеля.

Плотность топлива


Энергосодержание дизельного топлива на единицу объема возрастает с увеличением плотности. Топливо продается в единицах объема и дозируется оборудованием впрыска таким же образом. Если двигатель должен эксплуатироваться на топливе «средней» плотности, то при использовании топлива с более высокой плотностью увеличиваются мощность и дымность двигателя; с уменьшением плотности эти параметры снижаются. Изменение плотности в зависимости от температуры учитывается электронной системой регулирования работы дизеля. В связи с этим основное требование к дизельному топливу звучит так: «меньшая зависимость от разброса плотности топлива». Датчик плотности топлива мог бы также решить эту проблему. Во всем мире разброс плотности производимых дизельных то пли в больше, чем это допускается стандартом EN 590.


Вязкость топлива


Слишком малая вязкость при низкой частоте вращения коленчатого вала ведет, в частности, к утечкам в топливной аппаратуре и вместе с тем к недостаточной мощности, а также к проблемам горячего пуска. Слишком высокая ннчкость препятствует работе ТНВД и ведет к плохому распиливанию топлива, поэтому вязкость дизельного топлива должна оставаться в пределах, предписанных стандартом EN 590. 

Диапазон разгонки


Диапазон разгонки — это температурный диапазон, при котором топливо может испаряться. Низкая температура начала разгонки свойственна топливу, предназначенному для зимней эксплуатации, имеющему, однако, низкое цетановое число и неудовлетворительные смазывающие свойства. Высокая температура разгонки при наличии парафинов с длинной молекулярной цепью затрудняет холодный пуск, но при этом обеспечивает высокое цетановое число. Полнароматнкн, имеющие не менее трех бензольных колец химической структуры, также характеризуются высокой температурой разгонки, однако их цетановое числи относительно низкое. С увеличением содержания полиароматиков в дизельном топливе при его сгорании образуется больше сажи.

 


boschdiesel 35

 

Р и с . 1
С - углерод
H - водород - химическое соединение


 

Принимая это во внимание, необходимо обеспечить не слишком высокий предел разгонки. По требованию АСЕ А (Союза европейских разработчиков автомобилей) температура конца разгонки должна составлять 350°С. В этом случае, однако, гмрая нефть используется неполностью, что противоречит соблюдению этого технически рационального требования. Низкотемпературные свойства При температурах < 0°С в топливе начинается кристаллизация парафина, который забивает топливный фильтр. Для нормальной работы дизеля этот процесс необходимо исключить, поэтому в холодное время года нефтеперегонные заводы вводят в топливо добавки, которые понижают его вязкость и ограничивают рост кристаллов парафина, так что они свободно проходят через поры фильтра. Простое добавление бензина или керосина больше не является необходимым. Кроме того, это опасно из-за снижения температуры воспламенения. Европейская нефтяная промышленность поставляет в регионы с низкими зимними температурами дизельное топливо с CFPP присадками (CFPP — температурная точ-
ка предела фильтрации). Так, в Германии присадки рассчитаны на температуры до -20°С, а для арктических регионов этот параметр еще ниже (до -44°С).


Смазывающая способность


Для уменьшения содержания серы дизельное топливо обычно гидрогенизнруют. При этом процессе наряду с серой удаляются также полярные соединения (диполи), которые обладают хорошими смаамняющими свойствами На практике после внедрения обессеренного дизельного топлива потребители столкнулись с повышением износа распределительных ТНВД, которые смазываются непосредственно горючим. Чтобы предотвратить это, нефтяная промышленность восстановила смазывающую способность топлива путем добавки соответствующих присадок. С 1998 г. смазывающие свойства регламентируются европейскими стандартами EN 590, ISO 12 156-1 и 156-2 по методу HFRR (High Frequency Reciprocating Rig — стенд с возвратно-поступательным движением стального шарика). Максимально допустимое значение параметра WSD (Wear Scar Diameter — диаметр пятна нанося) по методу HFRR составляет 460 мкм, что достаточно надежно защищает топливное оборудование. Фирма Bosch рекомендует использовать дизельное топливо с WSD < 400 мкм. 

Вода в дизельном топливе


Дизельное топливо в зависимости от температуры может содержать определенное количество воды. Например, при 25...60 °С в топливе может находиться от 0,005 до 0,02% (по объему) растворенной влаги. Стандарт EN 590 допускает максимальное содержание воды в пределах 200 мг/кг топлива. Тем не менее анализ, проведенный во многих государствах, показал более высокую концентрацию воды. Растворенная влага в принципе не вредит системе впрыска, но вода в свободном состоянии, не растворенная в топливе, способна даже в совершенно незначительной концентрации за короткое время вызывать износ ТНВД, для смазки которых служит само топливо. Попадание воды в топливный Бак вследствие конденсации водяных паров воздуха предотвратить невозможно, поэтому топливному фильтру необходимы сепаратор воды и датчик влаги. Сегодня производители автомобилей проектируют заливные горловины и системы вентиляции топливного бака таким образом, чтобы дополнительно уменьшить проникновение влаги.


Загрязнения


Под загрязнением понимают все инородные нерастворимые вещества, оказавшиеся в топливе, например песок, ржавчина и нерастворимые органические соединения топлива. Стандарт EN 590 допускает максимальное количество нерастворимых примесей, равное 24 мг/кг массы топлива. Тем не менее эта величина еще слишком высока. Прежде всего, очень твердая силикатная пыль вредна для прецизионных деталей агрегатов сисхемы впрыска. Минимальное количество твердых частиц способно вызвать эрозионный и абразивный износ (например, на седлах электромагнитных клапанов). Это приводит к неплотностям, которые влекут за собой падение давления впрыскивания и мощности двигателя, увеличивая также количество вредных веществ в ОГ. Наличие в топливе частиц размером от 6...7 мкм является особенно критичным, если учесть, что в 100 мл топлива могут находиться миллионы частиц. Эффективные топливные фильтры, которые наряду с очень высокой степенью очистки долго работают без замены, способны решить эту проблему.

Содержание серы


Дизельное топливо в зависимости от качества сырой нефти содержит некоторое количество серы в химически связанной форме. Сера устраняется гидрогенизацией во время перегонки нефти с помощью катализаторов, при высоком давлении и высокой температуре. При этом образуется сероводород (H S), который затем разлагается на водород и серу. С начала 2000 г. стандарт EN 590 допускает до 0,035% серы в дизельном топливе. Европейский союз (ЕС) согласно предложениям по дизельному топливу с 2005 г. предписывает обеспечить содержание серы менее 0,001%. Системы для очистки ОГ, такие, как нейтрализаторы NON И фильтры сажевых частиц, основываются на каталитическом действии и должны работать с топливом, свободным от серы (< 0,001%). В противном случае вместо реакций нейтрализации NOv и СН протекали бы реакции нейтрализации серы. Независимо от функционирования будущих систем очистки ОГ выбросы серы и диоксида серы (SO,) также могут снизиться благодаря применению топлива с пониженным содержанием серы.

Коксование


Коксование — это процесс образования твердых отложений на стенках топливной аппаратуры, через которую прокачивается горючее. Сильно закоксованные форсунки пропускают меньшее количество топлива в единицу времени, что отрицательно сказывается на работе двигателя в целом.


Температура вспышки


Температурой вспышки называют температуру, при которой количество испарений топлива, накопившихся в окружающей среде, оказывается достаточным для воспламенения топливовоздушной смеси. Для дизельного топлива температура вспышки составляет не менее 55°С (класс безопасно- сти А 111).


Присадки к дизельному топливу


Самые важные присадки и их действие представлены в табл. 2. Их доля в общем объеме топлива составляет < 1%.


boschdiesel 36

 

Таблица 2
Различные присадки могут иметь сходное действие. Стреляй указывают на эти воздействия, независимо от других компонентов.