Дизельное топливо и ходовые качества ДВС

Утечки и тепловые потери снижают давление и температуру топливовоздушной смеси в конце хода сжатия (см. стр. 73). Таким образом, холодный дизельный двигатель труднее запустить и смесь труднее воспламеняется по сравнению с горячим дизельным двигателем.¹ Двигатели оснащены системами помощи при запуске, которые повышают температуру воздуха для облегчения воспламенения. (пример : свечи накала)
Эти средства в дизельном двигателе могут также снизить шум при запуске двигателя, уменьшить количество белого дыма, и продолжительность работы. Дизельное топливо, которое легко сгорает и имеет хорошее качество воспламенения, улучшает характеристики холодного запуска. Цетановое число (см. стр. 4) топлива определяет качество его воспламенения. Считается, что топливо, соответствующее стандарту ASTM D 975 Standard Specification for Diesel Fuel Oils, минимальное требование к цетановому числу 40, обеспечивает адекватные характеристики в современных дизельных двигателях. Минимальное цетановое число в Европе составляет 51. (См. главу 5 - Дизельное топливо и биодизель. Технические характеристики и методы испытаний топлив). Некоторые исследователи утверждают, что ряд современных двигателей могут выиграть от более высокого цетанового числа при запуске в очень холодном климате. Плавность работы, осечки, выбросы дыма, шум и легкость запуска — все это зависит от качества воспламенения топлива. При отрицательных температурах старта может потребоваться применение вспомогательных средств независимо от цетанового числа.

ЦЕТАНОВОЕ ЧИСЛО

Цетановое число — это показатель того, насколько топливо легко начинает гореть (самовоспламеняется) в условиях дизельного двигателя. Топливо с высоким цетановым числом воспламеняется вскоре после введения в цилиндр; поэтому оно имеет более короткий период задержки зажигания. И наоборот, топливо у которого низкое цетановое число препятствует самовоспламенению и имеет более длительный период задержки зажигания. (См. стр. 54 для получения информации о измерение цетанового числа). Цетановое верно только для двигателя, в котором оно было измерено на момент теста. Характеристики топлива в других двигателях могут отличаться. Задержка воспламенения топлива определяется по химическому составу. В прогретом двигателе задержка не зависит от физических характеристик, такие как волатильность и вязкость топлива. (Расчетная корреляция цетанового индекса [см. стр. 55] плотности и температуры перегонки для оценки цетанового числа. Однако эти физические данные используются в качестве косвенных индикаторов химического свойства). Измерение цетанового числа применяется только к дизельному топливу марок ГОСТ. Он не измеряется для высокосернистых и темных топлив (например, судовое топливо)

Мощностные характеристики мотора

Мощность определяется конструкцией двигателя. Дизельные двигатели оцениваются по тормозной мощности развиваемый на пределе дымности.² Для данного двигателя изменение свойств топлива в пределах диапазона спецификаций ASTM D 975 (см. стр. 46) не приводит к существенному изменению мощности. Однако вязкость топлива, выходящая за пределы спецификации ASTM D 975, приводит к плохому распылению, к ухудшению сгорания топлива, что ведет к потере мощности и снижению топливной экономичности. Исследовали семь видов топлива с различными профилями перегонки и ароматикой. Сделали замеры в трех двигателях. Мощность при пиковом крутящем моменте и при номинальном для семи видов топлива была относительно постоянной.

ШУМ

Шум, производимый дизельным двигателем, представляет собой комбинацию шума от сгорания топлива и механической работы двигателя. Свойства топлива могут оказывать непосредственное влияние на шум при сгорании. В дизельном двигателе топливо самопроизвольно воспламеняется вскоре после начала впрыска. В течение этой задержки, топливо испаряется и смешивается с воздухом в камере сгорания. Сгорание приводит к быстрому выделению тепла и быстрому росту давления в камере сгорания. Быстрое повышение давления приводит к появлению стука, который очень хорошо слышен в некоторых дизельных двигателях. При увеличении цетанового числа топлива интенсивность стука снижается на сокращении задержки воспламенения. Топливо с высоким цетановым числом воспламеняется раньше, чем большая часть топлива впрыскивается в камеру сгорания. Скорость тепловыделения и повышения давления регулируется в основном скоростью впрыска и смешивания топлива с воздухом, в результате двигатель работает более плавно³ Недавней относительно истории развития дизельных моторов является электронная система впрыска топлива Common Rail. Использование common rail позволяет производителям двигателей снизить токсичность отработавших газов и, особенно понизить уровнь шума двигателя. (См. главу 6 - Дизельные двигатели).

ЭКОНОМИЯ ТОПЛИВА

И здесь конструкция двигателя важнее свойств топлива. Если двигатель используется для конкретной работы, то топливная экономичность связана с теплотворной способностью топлива. В Северной Америке экономию топлива принято выражать как мощность на единицу объема, например, миль на галлон. В других странах мира стандарт экономии топлива выражается следующим образом, объем, используемый на единицу расстояния, - литры на 100 км. Поэтому соответствующие единицы измерения для теплотворной способности - это количество теплоты на объем (британская тепловая единица [Btu] на галлон или килоджоули на литр/кубический метр). Теплотворная способность на объем прямо пропорциональна плотности, если остальные свойства топлива остаются неизменными. Каждый градус увеличения Американской нефтяной промышленности (API) (снижение удельного веса на 0,0054) равняется примерно двум процентам снижения энергоемкости топлива. Спецификации ASTM International ограничивают величину теплотворной способности того или иного вида топлива. Повышение плотности связано с изменением химического состава топлива - увеличением содержание ароматических веществ - или изменение профиля перегонки за счет повышения начальной температуры кипения, конечной точке или в обоих случаях. Увеличение содержания ароматических веществ ограничивается требованием цетанового числа (ароматика имют. более низкое цетановое число [см. стр. 36 ]), а также изменение профиля перегонки ограничивается требованием к температуре дистилляции 90%. Тяжесть по API при температуре 60°F (15,6°C) для дизельного топлива № 2 составляет от 30 до 42. Удельный вес при температуре 60/60°F и плотность при 15,6°C составляет от 0,88 до 0,82. (См. главу 4 - Переработка дизельного топлива[вт6] и "Химия", где объясняется, что такое топливная смесь, плотность и гравитация по API). Катализаторы горения, возможно, являются наиболее активно продвигаемыми на рынок присадками к дизельному топливу (см. стр. 81). Однако Юго-Западный исследовательский институт, действующий под эгидой США совет по транспортным исследованиям (Transportation Research Board) провел ряд испытаний топлива с добавлением и без добавления различных катализаторов горения. Эти испытания показали, что катализатор, как правило, "практически влияет на изменение экономии топлива или уровня сажи в выхлопных газах "⁴. Хотя некоторые катализаторы горения могут снижать выбросы, неудивительно, что они не оказывают заметного влияния на топливную экономичность. Для эффективного повышения топливной экономичности экономичности, катализатор должен заставлять двигатель сжигать топливо более полно. Однако при этом не имеет больших возможностей для улучшения. При использовании неаддитивного⁵ топлива эффективность обычно превышает 98%. Многие постоянные усовершенствования создают определенный потенциал для повышения топливной экономичности. Однако, некоторые современные стратегии контроля выбросов явно снижают топливную экономичность, иногда до нескольких процентов.

Износ

Смазочные материалы

Некоторые подвижные детали дизельных топливных насосов и форсунок защищены от износа топливом. Чтобы избежать чрезмерного износа, топливо должно обладать некоторым минимальным уровнем смазывающей способности. Смазываемость — это способность уменьшать трение между твердыми поверхностями при относительном движении. Механизм смазки представляет собой сочетание гидродинамической и граничной смазки. При гидродинамической смазке слой жидкости препятствует контакту между противоположными поверхности. Для дизельных топливных насосов и форсунок жидкостью является само топливо, а вязкость ключевое свойство топлива. Топливо с более высокой вязкостью обеспечивает лучшие гидродинамические характеристики смазка. Дизельное топливо с вязкостью в диапазоне спецификаций ASTM D 975 обеспечивают адекватную гидродинамическую смазку. Граничная смазка становится важной, когда высокая нагрузка и/или низкая скорость сжимают части деталей между собой так что вытекает большая часть жидкости, обеспечивающей гидродинамическую смазку, создается вредное трение. Граничные смазки представляют собой соединения, образующие защитную противоизносный слой за счет адгезии к твердым поверхностям.

Предыдущие поколения дизельных видов топлива обладали хорошими смазывающими свойствами. За это отвечали углеводороды, составляющие основную часть топлива, а объясняется это следами количества кислород- и азотсодержащих соединений, и некоторых классов ароматических соединений. Доказательством является тот факт, что смазывающая способность топлив может быть восстановлен при добавлении всего 10 частей на миллион (ppm) присадки. В дизельном топливе, получаемом из нефти, естественным образом присутствуют соединения, повышающие смазывающую способность. При дистилляции сырой нефти они могут быть изменены или модифицированы путем гидроочистки - процесса, используемого для снижения содержания серы и ароматических веществ. Однако само по себе снижение содержания серы или ароматических веществ не обязательно снижает смазывающую способность топлива. Использование топлива с низкой смазывающей способностью может привести к увеличению износа топливного насоса и форсунок. В экстремальных ситуациях это приводит к катастрофическим отказам. Такие отказы произошли в Швеции в 1991 году, когда были введены в действие классы "городского" дизельного топлива (с очень низким содержанием серы и ароматики). Для получения таких топлив требовалась тяжелая гидроочистка. Проблема была решена путем дообработки, в топливо стали добавлять смазывающие присадки. По мере того как страны увеличивают снижение уровня содержания серы, в основном с помощью более жесткой гидроочистки, наблюдается общая тенденция к снижению уровня смазки в топливе. При этом готовое дизельное топливо, поступающее на рынок, должно имеют достаточную смазку благодаря действующим спецификациям на топливо. Для определения смазывающей способности топлива существуют различные методы лабораторных испытаний. Один из методов широко используется высокочастотная возвратно-поступательная установка (ВПВУ). Во многих регионах мира характеристики топлива, основаны на данном методе испытаний. (См. главу 5 - Дизельное топливо и биодизель Спецификации и методы испытаний топлива).

Чистота ДВС

Недостаточная смазка - не единственная причина износа топливных систем дизельных двигателей. Грязное дизельное топливо может вызвать абразивный износ топливной системы и поршневых колец абразивными неорганическими частицами. Топливные форсунки и топливные насосы особенно подвержены износу, поскольку создаваемое ими высокое давление жидкости требует чрезвычайно малых допусков между деталями, перемещающимися относительно друг друга. Стандарт ASTM D 975 ограничивает содержание золы в большинстве дизельных топлив максимум 100 ppm. (Неорганические частицы и маслорастворимые металлоорганические соединения вносят свой вклад в зольность; но износ вызывают только неорганические частицы). Правительство США имеет более жесткие требования - 10 мг/л (примерно 12 ppm) для всех твердых частиц. Однако, ни в одной из спецификаций не рассматривается размер частиц, хотя большинство топливных фильтров, рекомендуемых производителями двигателей имеют номинальный размер пор 10 мкм⁶.

Юго-Западный научно-исследовательский институт установил, что критический размер частиц для инициирования значительного абразивного износа в роторной системе инжекторных топливных насосов и в системах впрыска топлива под высоким давлением составляет от шести до семи микрон.

1 микрон = 1 микрометр = 10^-6 метра

Однако по мере разработки двигателей, направленной на снижение вредных выбросов, давление в топливной рейке и форсунках повышается, более малые зазоры будут иметь меньший допуск к твердым частицам и примесям в топливе. В связи с этим некоторые производители двигателей в настоящее время указывают фильтры с размером пор не более двух микрон!

Кислотность

Органические кислоты, содержащиеся в дизельном топливе, также могут вызывать коррозионный износ топливной системы. Хотя это более вероятно для дизельного топлива с высоким содержанием серы, и ничтожно для дизельного топлива с низким содержанием серы, поскольку при гидроочистке для снижения содержания серы разрушаются и органические кислоты. С внедрением биодизельного топлива, есть некоторые признаки того, что органические кислоты могут потенциально отрицательно сказываться на ДВС.

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Работоспособность при низких температурах является проблемой для среднедистиллятных топлив, поскольку они содержат углеводороды с прямой и разветвленной цепью (парафины), которые становятся твердыми при пониженной температуре окружающей среды в более холодных географических зонах. Образование парафина также может усиливаться в смеси биодизельного топлива с обычным дизельным топливом. Воск может закупорить топливный фильтр или полностью гелировать топливо, что делает невозможной подачу топлива в двигатель. Актуальны решения в конструкции двигателя, направленные на размещение топливного насоса и фильтра в месте где они получают наибольшее количество тепла от двигателя. Практика перекачки большего количества топлива к форсункам, чем требуется двигателю, также эффективна, поскольку нагретое избыточное топливо циркулирует обратно в резервуар. Хотя основной целью такой рециркуляции является охлаждение форсунок, но и на температуре топлива сказывается положительно. Иногда операторы могут позволить дизельному оборудованию работать в холодную погоду вместо того, чтобы выключить двигатель, когда он не используется. Такая практика допускается в некоторых холодных регионах. В некоторых случаях стоимость топлива может быть меньше, чем затраты на утепление мотора. Автомобили, предназначенные для работы при низких температурах, обычно оснащаются подогревом топливного бака и фильтра, так же изолируют топливные магистрали На нефтеперерабатывающем заводе существует ряд подходов к повышению низкотемпературных характеристик топлива, например:

• Производить его из менее парафинистых нефтей.
• Производить его с более низкой конечной точкой перегонки. (Это исключает более высокую точку кипения
• Воскообразные компоненты с более высокими температурами плавления).
• Разбавить его топливом с меньшим содержанием парафина (дизельным топливом № 1-D или керосином).
• Обработать низкотемпературной присадкой для работоспособности (см. стр. 83).

Для улучшения низкотемпературных характеристик используются присадки, они снижают температуру фильтруемости и температуру застывания. Они легкодоступны в большинстве регионов мира, стоимость обработки меньше, и обработка не снижает плотность топлива (следовательно, на теплотворную способность и экономию топлива не влияют). Вопросы работоспособности при низких температурах также рассматриваются на стр. 56. Испытания для определения характеристик низкотемпературной работоспособности топлива

• Температура помутнения [ASTM D 2500]
• Температура застывания [ASTM D 97])
• Точка закупорки холодного фильтра [ASTM D 6371]
• Испытание потока при низких температурах [ASTM D 4539]

рассматриваются на странице 65

Рис. 1 Помутневшее дизельное топливо, начало кристализации парафина

ПАРАФИНОВЫЙ ВОСК

Все среднедистиллятные топлива выпадают в осадок парафин, когда они охлаждаются до достаточно низкой температуры. Парафиновый воск представляет собой твердую смесь кристаллических углеводороды, преимущественно прямоцепочечные углеводороды, а также некоторые разветвленные цепные и циклические углеводороды (см. стр. 30). При отсутствии масла этот воск плавится в диапазоне от 40°C до 80°C (100°F до 180°F). Парафин возникает естественным образом содержится во всех нефтях; его количество зависит отконкретной нефти, из которой она была получена в применяемой обработке. При охлаждении топлива кристализуются восковые компоненты, которые затем начинают выпадать в осадок из раствора. Температура, при которой воск только начинает выпадатьт в осадок, и топливо становится "мутным" - измеренная точка облачности по стандарту ASTM D 2500. Если топливо охлаждается ниже точки помутнения, большее количество парафина выпадает в осадок. Приблизительно 3°C - 5°C (6°F - 10°F) ниже облачности точка (для топлив, не содержащих присадки, понижающая температуру застывания) топлива становится настолько густой, что перестает течь. Эта температура называется температурой застывания или точка гелеобразования, измеренная по стандарту ASTM D 97

СТАБИЛЬНОСТЬ ТОПЛИВА - СРОК СЛУЖБЫ ФИЛЬТРА

Нестабильное дизельное топливо может образовывать растворимые камеди или нерастворимые органические частицы. Камеди и органические частицы могут способствовать образованию отложений в инжекторах, а твердые частицы могут засорять топливные фильтры. Образование камедей и твердых частиц может происходить постепенно при длительном хранении или быстро при рециркуляции топлива в топливной системе, вызванной нагревом топлива. Стабильность хранения дизельного топлива широко изучается в связи с государственными и Военными интересами к хранению запасов топлива. Однако длительное стабильное хранение (при температуре окружающей среды) мало волнует рядового потребителя, поскольку большая часть дизельного топлива расходуется в течение нескольких недель после изготовления. Термическая (высокотемпературная) стабильность, с другой стороны является необходимым условием для эффективной работы дизельного топлива Термическая стабильность может стать более важной, поскольку производители дизельных двигателей ожидают, что в будущих конструкциях инжекторов будут использоваться более высокие давления для достижения лучшего сгорания топлива и снизится уровень выбросов. При этом топливо подвергается воздействию более высоких температур и более длительное время пребывает в инжекторе. Низкосернистые дизельные топлива, как правило, более стабильны, чем их высокосернистые предшественники, поскольку гидроочистка для удаления серы также имеет тенденцию к разрушению предшественников нерастворимых органических веществ (см. стр. 37). Однако гидроочистка также имеет тенденцию к разрушению естественных антиоксиданты. Для переработки некоторых видов дизельного топлива с низким содержанием серы может потребоваться обработка стабилизатор, предотвращающий образование перекисей, являющихся предшественниками растворимых камедей (см. стр. 87).

Выхлопные газы

Топливная система дизельного двигателя спроектирована и откалибрована таким образом, что она не впрыскивает больше топлива, чем двигатель может полностью израсходовать в процессе сгорания. При избытке топлива двигатель не сможет его полностью израсходовать, и сгорание будет неполным, будет образовываться черный дым. Точка, в которой начинается образование дыма, называется предельная дымность. В большинстве стран установлены нормы для дыма от выхлопных газов высокоскоростных и тяжелых грузовых автомобилей. В США непрозрачность дыма при разгоне двигателя не должна превышать 20%. или 15% в режиме "букса" при заданных условиях испытаний. Дым, появляющийся после прогрева двигателя, является признаком необходимости проведения технического обслуживания или регулировки. Забитый воздушный фильтр может ограничивать количество воздуха, или изношенный инжектор может введение слишком большого количества топлива. Другими причинами могут быть неправильно откалиброванные топливные насосы или неправильно отрегулированные фазы впрыска. Изменения, внесенные в калибровку топливного насоса и фазы впрыска для увеличения мощность двигателя так же могут привести к увеличению выбросов. Поскольку дым является признаком механических проблем, в Калифорнии и других штатах Есть тест по проверке непрозрачности выхлопных газов дорожных тяжелых грузовиков при максимальной мощности двигателя Скорости. Владельцы грузовиков, не прошедших тест, обязаны продемонстрировать, что они произвели ремонт для устранения проблемы. Существуют также дымовые правила для судов, находящихся в порту. Изменение большинства свойств топлива в пределах нормы не приводит к высокому уровню твердых частиц (ТЧ). Исключение составляет цетановое число; топливо с очень высоким цетановым числом может вызывать дымление в некоторых двигателях. Короткая задержка зажигания приводит к тому, что большая часть топлива сгорает в диффузионно-контролируемой фазе горения (см. стр. 78 ), что может привести к увеличению выбросов ТЧ. Топливо может косвенно приводить к задымлению, поскольку со временем ухудшается работа инжектора, когда:

• Органические частицы, содержащиеся в топливе, откладываются на форсунках, вызывая их залипание, что мешает работе форсунок, дозирования топлива.
• Нефтяные остатки или неорганические соли в топливе приводят к образованию отложений на наконечниках инжектора, которые препятствуют распылению. (Некоторые низкооборотные дизельные двигатели большой мощности рассчитаны на сжигание топлива, содержащего большое количество нефтяных остатков. Обычно используются в судостроении и энергетике).
• Наличие в топливе абразивных загрязнений или органических кислот, а также недостаточная смазывающая способность топлива приводят к абразивному или коррозионному износу инжектора.

1. "Управление дизельными двигателями", второе издание, Robert Bosch GmbH, Штутгарт (1999).
2. В терминологии двигателей тормозная мощность — это полезная мощность, развиваемая двигателем (см. боковую панель), стр. 18. Предел дымности — это соотношение топливо-воздух, при котором видимые выбросы твердых частиц становятся чрезмерными и более не являются приемлемыми.
3. Хайр, Магди: "Сгорание топлива в дизельных двигателях", ECOpoint Consultants
4. Moulton, David S. and Sefer, Norman R: "Качество дизельного топлива и влияние топливных присадок".окончательный отчет, PB-84-235688, Transportation Research Board, Washington DC, (May 1984) 23.
5. Вместо того чтобы многократно использовать неудобную фразу "добавление присадки", нефтяная промышленность придумал слово " additize ".