Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в зимний период эксплуатации

дипломная работа

2.1 Ассортимент и состав дизельных топлив

Дизельное топливо является одним из важнейших продуктов, выпускаемых нефтеперерабатывающей промышленностью. Оно представляет собой светло-коричневую маслянистую жидкость плотностью от 780 до 860 кг/м3, является продуктом прямой перегонки нефти в состав которого входят средние дистиллятные фракции нефти, выкипающие в пределах от 150...170° до 350...365 °С, легкие газойли каталитического и термического крекинга, коксования и гидрокрекинга[20].

Дизельное топливо не требует сложных технологических процессов для получения и относится к самым массовым нефтепродуктам, применяемым в сельском хозяйстве.

Рабочий процесс в дизельном двигателе отличается от рабочего процесса в карбюраторном двигателе тем, что смесеобразование происходит в конце такта сжатия за очень короткий промежуток времени. Если в карбюраторном двигателе смесеобразование начинается в карбюраторе и продолжается в цилиндре двигателя во время тактов всасывания и сжатия, то в дизельном двигателе топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания за несколько градусов до прихода поршня в верхнюю мертвую точку. Топливо впрыскивается в камеру сгорания со сжатым воздухом, находящимся под давлением 3,4...4,4 МПа и температурой 600...700 °С, испаряется, нагревается до температуры самовоспламенения и воспламенения. Этот процесс продолжается всего 0,002...0,003 с (почти в 10 раз быстрее, чем в карбюраторном двигателе). В связи с этим дизельное топливо должно обладать определенными эксплуатационным свойствами.

Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива:

цетановое число, определяющее высокие мощностные и экономические показатели работы двигателя;

фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших газов двигателя;

вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования;

низкотемпературные свойства, определяющие функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей среды и условия хранения топлива

степень чистоты, характеризующая надежность работы фильтров грубой и тонкой очистки и цилиндропоршневой группы двигателя;

температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива в дизелях;

наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износ [21].

Эксплуатационные свойства дизельного топлива, как и всякого другого моторного топлива, определяются прежде всего физическими и химическими свойствами составляющих его углеводородов, т. е. химическим составом. На качество топлива оказывает влияние:

1) природа нефтяного сырья, т. е. химический состав сырой нефти данного месторождения, взятой для переработки, и технология переработки;

2) соотношение компонентов, взятых при изготовлении этой партии топлива;

3) пределы температур кипения, в которых отбирались компоненты для партии топлива;

4) степень очистки от нежелательных составных частей топлива (очистка от серы, депарафинизация и т. д.);

5) вид и количество введенных в топливо присадок, если таковые применялись при изготовлении топлива.

Эксплуатационные свойства дизельных топлив оцениваются определенными показателями, которые могут быть разделены на следующие группы:

1) показатели, необходимые для расчета экономичности двигателя, теплового баланса и состава продуктов сгорания (групповой химический и элементарный состав топлива, теплота сгорания);

2) показатели, определяющие процесс сгорания в двигателе (фракционный состав, цетановое число);

3) показатели, характеризующие подачу топлива в двигателе, а также условия его хранения и транспортировки (вязкость, температуры помутнения, застывания и вспышки, а также наличие воды и механических примесей);

4) показатели, от которых зависят износ, нагарообразование, коррозия при длительной работе двигателя (коксуемость 10%-ного остатка, содержание фактических смол, кислотность, минеральные вещества, содержание серы и др.), т.е. показатели, во многом влияющие на моторесурс двигателя.

Ниже дается краткая характеристика и значение наиболее важных показателей качества дизельных топлив.

Цетановое число -- основной показатель воспламеняемости дизельного топлива. Оно определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработавших газов. Чем выше цетановое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жестко работает двигатель. Однако с повышением цетанового числа топлива сверх оптимального, обеспечивающего работу двигателя с допустимой жесткостью (менее 0,5 МПа/°ПВК), ухудшается его экономичность в среднем на 0,2--0,3 % и дымность отработавших газов на единицу цетанового числа повышается на 1--1,5 единицы Хартриджа.

Чем выше цетановое число топлива, тем быстрее произойдут процессы предварительного окисления его в камере сгорания, тем скорее воспламенится смесь и запустится двигатель, что особенно важно в условиях низких температур. Ниже приведены данные по влиянию цетанового числа на время запуска двигателя:

Цетановое число 53 38

Время запуска, с 3 45-50

Цетановое число топлив зависит от их углеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают нормальные парафиновые углеводороды, причем с повышением их молекулярной массы оно повышается, а по мере разветвления -- снижается. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых цепей; ароматические углеводороды с боковыми цепями имеют более высокие цетановые числа и тем больше, чем длиннее боковая парафиновая цепь. Непредельные углеводороды характеризуются более низкими цетановыми числами, чем соответствующие им по строению парафиновые углеводороды. Нафтеновые углеводороды обладают невысокими цетановыми числами, но большими, чем ароматические углеводороды. Чем выше температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит почти линейный характер; лишь для отдельных фракций цетановое число может снижаться, что объясняется их углеводородным составом [21].

Цетановые числа дизельных топлив различных марок, вырабатываемых отечественной промышленностью, характеризуются следующими значениями:

Марка дизельного топлива Л 3(-35°С) 3(-45°С) А

Цетановое число 47-51 45-49 40-42 38-40

Применение топлив с цетановым числом менее 40 приводит к жесткой работе двигателя, а более 50 -- к увеличению удельного расхода топлива вследствие уменьшения полноты сгорания. Летом можно применять топлива с цетановым числом, равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска Двигателя -- с цетановым числом не менее 45. Цетановое число и низкотемпературные свойства топлива -- это взаимосвязанные величины: чем лучше низкотемпературные свойства топлива, тем ниже его цетановое число. Так, топлива с температурой застывания ниже -45 °С характеризуются цетановым числом около 40.

Хорошие низкотемпературные свойства достигаются несколькими способами: существенным облегчением фракционного состава (температура конца кипения 300--320 °С вместо 360 °С), проведением депарафинизации топлива (извлечение н-парафиновых углеводородов), переработкой нафтено-ароматических нефтей с малым содержанием н-парафиновых углеводородов. При этом во всех случаях снижается цетановое число.

Установление оптимальных цетановых чисел имеет большое практическое значение, поскольку с углублением переработки нефти в состав дизельного топлива будут вовлекаться легкие газойли каталитического крекинга, коксования и фракции, обладающие относительно низкими цетановыми числами. Бензиновые фракции также имеют низкие цетановые числа, и добавление их в дизельное топливо всегда заметно снижает цетановое число последнего. Европейским стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел цетанового числа -- 48 единиц.

Характер процесса горения топлива в двигателе определяется двумя основными показателями -- фракционным составом и цетановым числом. На сгорание топлива более легкого фракционного состава расходуется меньше воздуха, при этом благодаря уменьшению времени, необходимого для образования топливовоздушной смеси, процессы смесеобразования протекают более полно.

Облегчение фракционного состава топлива, например при добавке к нему бензиновой фракции, может привести к жесткой работе двигателя, определяемой скоростью нарастания давления на 1 поворота коленчатого вала. Это объясняется тем, что к моменту самовоспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров топлива, и горение сопровождается чрезмерным повышением давления и стуками в двигателе.

Влияние фракционного состава топлива для двигателей различных типов неодинаково. Двигатели с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием вследствие наличия разогретых до высокой температуры стенок предкамеры и более благоприятных условий сгорания менее чувствительны к фракционному составу топлива, чем двигатели с непосредственным впрыском. Наддув двигателя, создающий повышенный термический режим камеры сгорания, обеспечивает возможность нормальной работы на топливах утяжеленного фракционного состава.

Время прокручивания двигателя при запуске его на топливе со средней температурой кипения 200--225 °С в 9 раз меньше, чем на топливе со средней температурой кипения, равной 285 °С.

При испытаниях дизельного топлива утяжеленного фракционного состава с температурой конца кипения на 30 °С выше, чем у стандартного летнего топлива, отмечен повышенный расход топлива в среднем на 3 % и увеличение дымности отработавших газов в среднем на 10 %. Одной из основных причин повышения расхода топлива является более высокая вязкость топлива утяжеленного фракционного состава.

Расход топлива зависит не только от температуры конца его кипения, но и от 50 %-ной точки перегонки. Для летних дизельных топлив, полученных перегонкой нефти, 50 %-ная точка выкипания находится в пределах 260-280 °С (наиболее типичные значения 270--280 °С), для зимних марок дизельных топлив она составляет 240-260 °С. Вязкость дизельного топлива характеризует его подвижность, величину внутреннего трения и силу взаимного сцепления молекул. Вязкость оказывает решающее влияние на первую стадию смесеобразования -- распыливание в цилиндре двигателя, дальнобойность струи, четкость начала и конца подачи топлива форсункой [22]. С увеличением вязкости топлива возрастает сопротивление топливной системы, уменьшается степень наполнения насоса.

При предельном значении вязкости потери напора становятся настолько большими, что топливная струя разрывается, нарушается нормальная подача топлива к насосу, и он начинает работать с перебоями. Топливо с невысокой вязкостью хорошо распыливается, однако при слишком малой вязкости оно подтекает через распыливающие отверстия форсунок, что приводит к их закоксовыванию [23]. Из-за недостаточной дальнобойности струи топливо сгорает у распылителя форсунки, в результате чего наблюдается неоднородность рабочей смеси, ухудшается процесс сгорания и падает мощность двигателя. Кроме того, топливный насос смазывается дизельным топливом, поэтому износ плунжерных пар зависит от его вязкости и чистоты. Исследованиями [25] установлено, что для топливной аппаратуры двигателя ЯАЗ-204 изменение вязкости топлива в пределах 2,0...6,0 сСт практически не влияет на износ плунжерных пар. В тоже время при снижении вязкости топлива с 6,14 сСт до 1,7 сСт повышается износ на 10…15 % топливной аппаратуры двигателя Д-6 [26].

Вязкость дизельного топлива зависит от его углеводородного состава и температуры окружающей среды, как и для других нефтепродуктов она возрастает с понижением температуры и наоборот рис.2.1.

Рис.2.1 Зависимость кинематической вязкости топлива от его температуры: 1 - летнее, 2 - зимнее, 3 - арктическое

Летнее дизельное топливо, получаемое из западносибирской нефти, в котором преобладают парафино-нафтеновые углеводороды, имеет вязкость при 20 °С 3,5--4,0 мм2/с; такое же по фракционному составу топливо из сахалинских нефтей, в котором преобладают нафтено-ароматические углеводороды, -- 5,5--6,0 мм2/с. Стандартом на дизельное топливо вязкость нормируется в достаточно широких пределах, что обусловлено различием углеводородного состава перерабатываемых нефтей. Попытки ограничить вязкость топлива в узких пределах приведут к сокращению ресурсов его производства, так как потребуется снизить температуру конца кипения топлива. В зарубежных стандартах кинематическая вязкость нормируется обычно при 40 °С, в то время как отечественные ГОСТ и ТУ регламентируют вязкость при 20 °С.

Из всех классов углеводородов наименьшая вязкость у алифатических. Эти же углеводороды в меньшей степени изменяют свою вязкость при охлаждении, т.е. имеют наиболее пологую вязкостно-температурную кривую. Алифатические углеводороды разветвленного строения, имеющие в боковых цепях два-три атома углерода, обладают более высокой вязкостью и при охлаждении она изменяется более резко, чем у углеводородов нормального строения. Присутствие двойной связи снижает вязкость алифатического углеводорода. Ароматические и нафтеновые кольца в молекуле углеводорода повышают вязкость и ухудшают вязкостно-температурную зависимость. Бициклические углеводороды при одинаковой молекулярной массе с моноциклическими имеют не только более высокую вязкость, но и более крутую кривую зависимости вязкости от температуры.

Хотя вязкость дизельных топлив при понижении температуры и повышается, поведение топлива, как правило, продолжает подчиняться закону Ньютона (вязкость не зависит от градиента сдвига) вплоть до выпадения кристаллов твердых углеводородов.

Вязкость дизельного топлива оказывает существенное влияние на качество распыливания. Например, при температуре топлива 80 0С диаметр отпечатка впрыснутого топлива равен 80 мм; при температуре 60 0С -- 73 мм; при 40 0С -- 53 мм; при 20 0С -- 42 мм. При высокой вязкости струя топлива распадается на крупные капли диаметром от 150 мкм до 300 мкм, рис.2.2.

Рис.2.2. Зависимость тонкости распыла топлива (среднего диаметра капель) от его условной вязкости

Топлива являются смазочным материалом для движущихся деталей топливной аппаратуры быстроходных дизелей, пар трения плунжерных топливных насосов, запорных игл, штифтов и других деталей.

Смазывающие свойства топлив значительно хуже, чем у масел, так как и вязкость, и содержание поверхностно-активных веществ (ПАВ) в топливах меньше, чем их содержание в маслах. Противоизносные свойства топлив улучшаются с увеличением содержания ПАВ, вязкости и температуры выкипания.

В связи с ужесточением требований к качеству дизельных топлив по содержанию серы и переходом на выработку экологически чистых топлив, гидроочистку их проводят в жестких условиях. При этом из дизельных топлив удаляются соединения, содержащие серу, кислород и азот, что негативно влияет на их смазывающую способность. Наиболее реальным способом улучшения смазывающих свойств дизельного топлива является применение противоизносных присадок.

Химическая стабильность дизельного топлива -- способность противостоять окислительным процессам, протекающим при хранении. Эта проблема возникла с углублением переработки нефти и вовлечением в состав товарного дизельного топлива среднедистиллятных фракций вторичной переработки нефти, таких, как легкого газойля каталитического крекинга, висбрекинга, коксования. Последние обогащены ненасыщенными углеводородами, включая диолефины и дициклоолефины, а также содержат значительное количество сернистых, азотистых и смолистых соединений. Наличие гетероатомных соединений, особенно в сочетании с ненасыщенными углеводородами, способствует их окислительной полимеризации и поликонденсации, тем самым влияя на образование смол и осадков. Самыми сильными промоторами смоло- и осадкообразования являются азотистые и сернистые соединения.

Химическая стабильность оценивается по количеству образовавшегося в топливе осадка (мг/100 мл) по ASTM D 2274. Легкий газойль каталитического крекинга (ЛГКК) по химической стабильности существенно уступает прямогонным или гидроочищенным дистиллятным фракциям [21]:

Содержание ЛГКК 43/107

в топливе, %. 0 10 20 30 40 100 Норма

Осадок, мг/100 мл 1,2 5,5 7,2 8,9 10,3 21,5 < 0,2

Стандартами на дизельные топлива регламентируются следующие показатели качества, характеризующие их коррозионную агрессивность: содержание общей серы, содержание меркаптановой серы и сероводорода, водорасворимых кислот и щелочей, испытание на медной пластинке.

Современная технология получения дизельных топлив практически исключает возможность присутствия в них элементной серы и сероводорода в количествах, вызывающих коррозионное воздействие на металлы. Отсутствие элементной серы и сероводорода надежно контролируется испытанием на медной пластинке. Топливо выдерживает эти испытания, если содержание свободной серы не выше 0,0015 %, сероводорода не более 0,0003 %.

Общее содержание серы мало характеризует коррозионную агрессивность топлива по отношению к металлам. При увеличении содержания серы с 0,18 до 1,0 %, но незначительном повышении содержания меркаптановой серы с 0,005 до 0,009 %, коррозионная агрессивность топлива почти не изменяется.

Большое влияние на коррозионную агрессивность дизельных топлив оказывает глубина их гидроочистки, так как при этом вместе с сернистыми и ароматическими соединениями удаляются поверхностно-активные вещества, в результате чего ухудшаются защитные свойства топлив. Удаление поверхностно-активных веществ приводит к снижению способности топлива вытеснять влагу с поверхности металлов и образовывать защитную пленку.

Коррозионная агрессивность дизельных топлив, в основном, зависит от содержания меркаптановой серы. Так, повышение содержания меркаптановой серы с 0,01 % (норма ГОСТ) до 0,06 % увеличивает коррозию более чем в 2 раза.

Считается, что при содержании серы в топливе менее 0,05% требуется применение специальных противоизносных присадок, позволяющих на порядок продлить срок службы топливной аппаратуры (см. рис. 2.3) [27].

Рис. 2.3. Пробег двух автомобилей (1 и 2) до выхода из строя на малосернистом (менее 0,001% серы) топливе без присадки (а) и с присадкой (б)

Коррозионная активность меркаптановой серы в дизельном топливе существенно зависит от присутствия в нем свободной воды и растворенного кислорода, которые ускоряют процесс образования меркаптидов.

Прямогонные дизельные топлива обладают более высокими защитными свойствами по сравнению с гидроочищенными. Сравнительно низкими защитными свойствами обладает газойль каталитического крекинга.

Защитные свойства мало зависят от фракционного состава. Зимнее и летнее топлива, полученные по одинаковой технологии, обладают примерно одинаковым защитными свойствами.

Причиной повышенной коррозии и износа является присутствие в топливе металлов.

Содержание металлов в дизельных топливах (х10-4 %), полученных на различных предприятиях:

Номер образца

V

Ni

Fe

Cu

Pb

Са

Al

Na

Мо

1

<0,5

<0,3

0,35

<0,07

<0,3

0,15

<0,7

0,08

<0,3

2

<0,5

<0,3

0,35

<0,07

0,2

0,1

<0,7

0,02

<0,3

3

<0,5

<0,3

0,55

0,07

0,2

0,17

<0,7

0,18

0,3

4

<0,5

<0,3

0,35

0,07

0,2

0,3

<0,7

0,15

<0,3

5

<0,5

<0,3

0,35

<0,07

0,3

0,3

<0,7

0,12

<0,3

6

<0,5

<0,3

0,4

<0,07

0,3

<0,15

<0,7

<0,07

<0,3

7

<0,5

<0,3

0,4

0,06

0,2

0,12

<0,7

<0,07

<0,3

8

0,3

1,3

0,45

<0,07

0,3

0,1

<0,7

<0,07

<0,3

9

<0,5

<0,1

0,3

0,06

0,35

<0,15

<0,7

<0,07

<0,3

10

<0,5

<0,1

0,3

0,06

1,0

0,07

<0,7

0,2

<0,3

11

<0,1

<0,1

0,3

<0,1

0,6

<0,1

--

0,05

<0,3

Данная проблема достаточно остро стоит в промышленно развитых странах и к настоящему времени ясно обозначилась в России. Ряд отечественных заводов вырабатывает топлива с низким содержанием серы, которые предназначены и для поставки на экспорт, и для внутреннего потребления. Количество малосернистого топлива (с содержанием серы менее 0,05 и 0,1%) пока невелико, но быстро растет, его доля в 1990, 1995 и 2000 годах в России соответственно составляла 0,2, 3,8 и 12,0% от общего выпуска топлив. Из-за отсутствия отечественных разработок российские заводы, производящие дизельные топлива на экспорт, вынуждены использовать импортные присадки фирм BASF, Clariant, Infineum. Появления полноценных отечественных аналогов следует ожидать через 1-2 года.

Степень чистоты топлива -- показатель определяет эффективность и надежность работы двигателя, особенно топливной аппаратуры. Для плунжеров и гильз топливных насосов зазоры составляют 1,5--4,0 мкм. Частицы загрязнений, размер которых более 4,0 мкм, вызывают повышенный износ деталей топливной аппаратуры, что предопределяет и соответствующие требования к очистке топлива.

Чистоту топлива оценивают коэффициентом фильтруемости по ГОСТ 19006--73, который представляет собой отношение времени фильтрования через фильтр из бумага БФДТ при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива к первой. На фильтруемость топлива влияет наличие воды, механических примесей, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот. В товарных дизельных топливах содержится, в основном, растворенная вода от 0,002 до 0,008 % (гидрид-кальциевый метод определения), которая не влияет на коэффициент фильтруемости. Нерастворенная в топливе вода -- 0,01 % и более -- приводит к повышению коэффициента фильтруемости. Однако влияние этого фактора неоднозначно. Присутствие в топливе поверхностно-активных веществ мыл нафтеновых кислот, смолистых соединений усугубляет отрицательное влияние эмульсионной воды на фильтруемость топлив. Достаточно (15--20)-10-4 % мыл нафтеновых кислот, образующихся при защелачивании топлив, чтобы коэффициент фильтруемости повысился с 2 до 5.

Содержание механических примесей в товарных дизельных топливах, выпускаемых нефтеперерабатывающими предприятиями, составляет 0,002-0,004 % (отсутствие по ГОСТ 6370-83) [28]. Это количество не отражается на коэффициенте фильтруемости при исключении других отрицательных факторов. Коэффициент фильтруемости дизельных топлив, отправляемых с предприятий, находится в пределах 1,5--2,5.

В зависимости от типа дизелей дизельные топлива имеют различную маркировку. Топлива, применяемые в двигателях с воспламенением от сжатия, подразделяются на три группы. К первой группе относятся топлива для быстроходных дизелей, среди которых различают марки ДА, ДЗ, ДЛ, ДС. Ко второй группе принадлежат дизельные топлива для автотракторных, тепловозных и судовых двигателей, они имеют маркировку А, С, 3, Л. Третью группу составляют топлива для среднеоборотных дизелей, их маркировка-ДТ и ДМ. Все дизельные топлива, выпускаемые в нашей стране в соответствии с действующим стандартом, предназначены для использования их в дизельных двигателях, которые установлены на тракторах, тепловозах, морских и речных судах, тяжеловесных грузовых автомобилях.

Делись добром ;)