Цетановое число

Цетановое число численно равно объёмной доле цетана (С16Н34,

гексадекана), цетановое число которого принимается за 100, в смеси с

a-метилнафталином (цетановое число которого, в свою очередь, равно

0).

Когда дизельное топливо характеризуется такой же воспламеняемостью,

определённой на опытном двигателе(ASTM D 613, EN 5165, ISO 5165,

ГОСТ 3122 ), что и модельная смесь этих двух углеводородов, цетановое

число данного топлива считается равным % доли цетана в этой смеси.

Чем оно больше, тем лучше воспламеняемость смеси при сжатии.

Оптимальную работу стандартных двигателей обеспечивают дизельные

топлива с цетановым числом 40-55. При цетановом числе меньше 40

резко возрастает задержка воспламенения (время между началом

впрыска и воспламенением топлива) и скорость нарастания давления в

камере сгорания, увеличивается износ двигателя. Стандартное топливо

характеризуется цетановым числом 40-45, а топливо высшего

качества (премиальное) имеет цетановое число 45-50.

Премиальное дизельное топливо более лёкое, содержит больше

лековоспломеняющихся лёгких фракций и поэтому более пригодно для

запуска двигателя в холодную погоду, кроме того, отношение водорода к

углероду в лёгких фракциях выше, поэтому при сгорании такого

дизельного топлива образуется меньше дыма.

При цетановом числе больше 60 снижается полнота сгорания топлива,

возрастает дымность выхлопных газов, повышается расход топлива.

В некоторой степени цетановое число зависит от от группового

состава топлива (доли парафинов, олефинов, нафтенов, ароматики).

Парафины, способные к самовоспламенению при низких температурах,

являются полезным компонентом дизельного топлива.

Фракционный состав

Фракционный состав определяет полноту сгорания, дымность и

токсичность отработавших газов двигателя;

Фракционный состав косвенно характеризует испаряемость

дизельного топлива. Топливо с облегченным фракционным составом

легче испаряется. Но применять дизельное топливо со слишком

облегченным фракционным составом нельзя, так как такое топливо

состояло бы из углеводородов, плохо самовоспламеняющихся, и его

вязкость могла бы оказаться недостаточной. Применение дизельного

топлива с утяжеленным фракционным составом, вследствие плохой

его испаряемости, приводит к несвоевременному воспламенению и

плохому сгоранию, дымному выхлопу и ухудшению топливной

экономичности. Такое топливо затрудняет пуск холодного двигателя,

особенно при низких температурах. Метод определения фракционного

состава дизельного топлива принципиально не отличается от

описанного метода определения фракционного состава бензина.

Кислотность дизельного топлива

Кислотность характеризует содержание органических кислот в

дизельном топливе и не должна превышать 5 мг КОН на 100 см3

топлива.

Содержание водорастворимых кислот и щелочей в дизельном

топливе не допускается. В зависимости от содержания в дизельном

топливе смолистых веществ и непредельных углеводородов проявляется

его способность к образованию отложений и нагара в камере сгорания,

на клапанах, форсунках и других деталях двигателя. Отложения

нарушают нормальный режим работы двигателя (перегрев, ухудшение

продувки и очистки от отработавших газов), приводят к ухудшению

топливной экономичности и снижению мощности. Закоксование,

например, распыливающих отверстий форсунки вызывает нарушение

подачи топлива, а иногда обрыв головок форсунок. Причиной

образования нагара могут также служить высокая вязкость и плохая

испаряемость топлива.

Коксуемость выражается количеством в процентах образовавшегося

твердого углистого остатка (кокса) после коксования навески топлива в

специальном приборе. Коксуемость 10 % остатка не должна быть

больше 0,3 % по всем маркам топлив.

Содержание золы определяется количеством в процентах остатка,

образовавшегося после сжигания навески испытуемого топлива при

помощи фитиля из бумажного обеззоленного фильтра и прокаливания

твердого остатка до постоянного веса. Зола повышает

нагарообразование в двигателе и может, попадая в масло, вызывать

ускоренный износ. Техническими условиями содержание золы

допускается не более 0,01 % для всех марок дизельного топлива.

Температура вспышки ограничивает содержание в топливе наиболее

легких фракций и характеризует его огнеопасность. Температура

вспышки - это та наименьшая температура, до которой нужно нагреть

дизельное топливо в закрытом тигле, чтобы его пары образовали с

воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.

Температура вспышки должна быть не ниже 35°С для всех марок

дизельного топлива.

Низкотемпературные свойства

Низкотемпературные свойства свойства дизтоплива -

характеризуются температурой помутнения, застывания и предельной

фильтруемости. Они определяют способность топлива проходить через

фильтры и обеспечивать прокачку по трубопроводам в условиях низких

температур.

 Температура помутнения - температура дизтоплива, при

которой начинается кристаллизация парафина

 Температура застывания дизтоплива - температура, при

которой происходит полная потеря текучести

 Температура предельной фильтруемости дизтоплива -

температура, при которой топливо еще способно проходить через

фильтр

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.

Температура вспышки

Температура вспышки - наименьшая температура, при которой пары

над

поверхностью горючего вещества вспыхивают при контакте с

открытым источником огня и с ненасыщенным паром.

Для каждой горючей жидкости можно определить давление

насыщенных паров. С повышением температуры оно растёт, таким

образом, количество горючего вещества на единицу объёма воздуха над

жидкостью также растет с ростом температуры. При достижении

температуры вспышки содержание горючего вещества в воздухе

становится достаточным для поддержания горения. Достижение

равновесия между паром и жидкостью требует, однако, некоторого

времени, определяемого скоростью образования паров. При

температуре вспышки скорость образования паров ниже, чем

скорость их горения, поэтому устойчивое горение возможно лишь при

достижении температуры воспламенения.

Из-за сложностей прямого измерения температуры вспышки газов и

паров, за неё принимают минимальную температуру стенки

реакционного сосуда, при которой наблюдают вспышку. Эта

температура зависит от условий тепломассообмена как внутри

реакционного сосуда, так и самого сосуда с окружающей средой,

объёма смеси, а также каталитической активности стенки сосуда и

ряда других параметров.

Показатель применяется для определения допустимой температуры

нагревания горючих веществ при различных условиях хранения и

перевозки. Наиболее известным способом измерения температура

вспышки является определение в закрытом тигле по Пенски-Мартенсу

ASTM D93,ГОСТ 6356.

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.

Самовоспламеняемость

Самовоспламеняемостью называется способность дизельного топлива

воспламеняться без источника зажигания. Самовоспламеняемость

топлива оценивается цетановым числом, и от нее зависит протекание

процесса сгорания топлива в цилиндрах двигателя. Для нормальной

работы двигателя необходимо, чтобы топливо самовоспламенялось и в

дальнейшем энергично сгорало, вызывая интенсивное, но достаточно

плавное нарастание давления. В этом случае будет иметь место так

называемая мягкая работа двигателя, т. е. не будет перегрузки его

деталей, будет развиваться максимальная мощность и обеспечиваться

необходимая топливная экономичность. Если же топливо

самовоспламеняется не своевременно, а с запаздыванием, то это

приводит к жесткой работе двигателя, напоминающей работу

карбюраторного двигателя с детонацией. При жесткой работе детали

двигателя работают с перегрузкой, что приводит к ускоренному их

износу и даже поломкам, перерасходу топлива, дымному выхлопу и

снижению мощности.

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.

Свойства дизельного топлива

Двигатели с воспламенением от сжатия (дизели) работают на дистилятных

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.

Различают дистиллятное маловязкое - для быстроходных, и высоковязкое,

остаточное, для тихоходных (тракторных, судовых, стационарных и др.)

двигателей. Дистиллятное состоит из керосино-газойлевых фракций

прямой перегонки и до 1/5 из газойлей каткрекинга и коксования. Вязкое

топливо для тихоходных двигателей является смесью мазутов с керосиново-

газойлевыми фракциями.

[править] Вязкость и содержание воды

Различают так называемое зимнее и летнее дизельное топливо. Основное

отличие в температуре предельной фильтруемости ASTM D 6371 и

температурах помутнения и застывания ASTM D97, ASTM D2500,

указанной в стандартах на это топливо. Производство зимнего топлива

обходится дороже, но без предварительного подогрева невозможно

использовать летнее топливо при −20 °C, например. Ещё одной проблемой

является повышенное содержание воды в дизельном топливе. Вода

отслаивается при хранении дизтоплива и собирается внизу, так как

плотность дизтоплива меньше 1 кг/л. Водяная пробка в магистрали

полностью блокирует работу двигателя. Требования межгосударственного

стандарта ГОСТ 305-82 "Топливо дизельное. Технические условия"

регламентируют кинематическую вязкость при 20 °C для летних сортов в

пределах 3,0÷6,0 сст, для зимних сортов 1,8÷5,0 сст, для арктических

1,5÷4,0 сст. Этот стандарт требует также отсутствия воды во всех марках

топлива.

[править] Воспламеняемость от сжатия

Основной показатель дизельного топлива — это цетановое число (Л-45).

Цетановое число характеризует способность топлива к воспламенению в

камере сгорания и равно объёмному содержанию цетана в смеси с α-

метилнафталином, которое в стандартных условиях ASTM D613 имеет

одинаковую воспламеняемость по сравнению с исследованным топливом.

Температура вспышки, определённая по ASTM D93, для дизельного топлива

должна быть не выше 70 °C. Температура перегонки, определённая по

ASTM D86, для дизельного топлива не должна быть ниже 200 и выше

350 °C.

[править] Содержание серы

В последнее время в рамках борьбы за экологию жёстко нормировано

содержание серы в дизельном топливе. Под серой здесь понимается

содержание сернистых соединений — меркаптанов (R-SH), сульфидов (R-SR),

дисульфидов (R-S-S-R), тиофенов, тиофанов и др., а не элементарная

сера как таковая; R — углеводородный радикал. Содержание серы в нефти

находится в пределах от 0,15 % (легкие нефти Сибири), 1,5 % (нефть Urals)

до 5—7 % (тяжёлые битуминозные нефти); допустимое содержание в

некоторых остаточных топливах — до 3 %, судовом топливе — до 1 %, а по

последним нормативам Европы и штата Калифорния допустимое

содержание серы в дизельном топливе не более 0,001 % (10 ppm).

Понижение содержания серы в ДТ, как правило, приводит к уменьшению

его смазывающих свойств, поэтому для ДТ с ультранизким содержанием

серы обязательным условием является наличие присадок.

Порядковый номер согласно с принятой ООН системой: 1202, класс — 3.

[править] Физические свойства

Летнее дизельное топливо: Плотность: не более 860 кг/м³. Температура

вспышки: 62 градусов Цельсия. Температура застывания: –5 градусов

Цельсия. Получается смещением прямогонных,гидроочищенных и

вторичного происхождения углеводородных фракций с температурой

выкипания 180-360 градусов Цельсия. Рост температуры конца выкипания

приводит к усиленному закоксовыванию форсунок и дымности.

Зимнее дизельное топливо: Плотность: не более 840 кг/м³. Температура

вспышки: 40 градусов Цельсия. Температура застывания: –35 градусов

Цельсия. Получается смещением прямогонных,гидроочищенных и

вторичного происхождения углеводородных фракций с температурой

выкипания 180-340 градусов Цельсия. Так же зимнее дизельное топливо

получается из летнего дизельного топлива добавление депрессорной

присадки, которая снижает температуру застывания топлива, однако слабо

меняет температуру предельной фильтруемости. Кустарным способом в

летнее дизельное топливо добавляют до 20% керосина ТС-1 или КО, при

этом эксплуатационные свойства практически не меняются.

Арктическое дизельное топливо: Плотность: не более 830 кг/м³.

Температура вспышки: 35 градусов Цельсия. Температура застывания: –50

градусов Цельсия. Получается смещением прямогонных,гидроочищенных и

вторичного происхождения углеводородных фракций с температурой

выкипания 180-330 градусов Цельсия. Пределы кипения арктического

топлива примерно соответствуют пределам выкипания керосиновых

фракций, поэтому данное топливо по-сути утяжеленный керосин. Однако

чистый керосин имеет низкое цетановое число 35-40 и плохие

смазывающие свойства (сильный износ ТНВД). Для устранения данных

проблем в арктическое топливо добавляют цетаноповышающие присадки и

минеральное моторное масло (лучше тепловозное или камазовское) для

улучшения смазывающих свойств. Более дорогой способ получения

арктического дизельного топлива - депарафинизация летнего дизельного

топлива.

[править] Альтернативы классическому дизельному топливу

[править] Биодизель

Основная статья: Биодизель

Биодизель имеет цетановое число не менее 51 (обычное 42—45),

температуру вспышки более 150 °C, имеет значительно лучшие смазочные

характеристики. Главный недостаток — ограниченный срок хранения

после изготовления — 3 месяца.

Изготавливается из смеси растительного масла (обычно рапсового или

соевого) и метилового спирта в соотношении 7—10 к 1

[править] Эмульгированное дизельное топливо

Добавление воды в дизельное топливо катастрофично. Для форсунок с

высоким давлением (как у CDI) вода и сера является агрессивным

элементом. При высоком давлении и воде в составе топлива образуется

серная кислота, которая губит прецизионные каналы. Кроме того, сера при

попадании картерных газов в масло сокращает срок его службы. Поэтому в

инструкциях импортных автомобилей производитель пишет, что срок

замены масла в странах бывшего СССР (где ещё продается солярка с серой

в 0,2%) сокращается вдвое. Кроме того, кислоты сокращают срок службы

катализаторов и сажевых фильтров.