А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
Вязкость и плотность дизельных топлив влияют на процессы испарения и смесеобразования. Эти показатели определяются в соответствии с СТБ ИСО 3104–2003 и СТБ ИСО 3675–2003. Вязкость— свойство частиц жидкости оказывать сопротивле- ние взаимному перемещению под действием внешней силы. Раз- личают динамическую и кинематическую вязкость. В практиче- ских условиях применяется кинематическая вязкость , которая равна отношению динамической вязкости к плотности : . (2.15) Единица кинематической вязкости в системе СИ — м2/с. На практике применяют меньшую единицу — сантистокс (сСт): 1сСт 1 мм2/с 10–6 м2/с. Для топлив различных марок оптимальное значение кинема- тической вязкости лежит в пределах от 1,5 до 4,5 мм2/с. В соот- ветствии с СТБ 1658–2006 вязкость дизельных топлив для уме- ренных климатических зон должна составлять 2...4,5 мм2/с, для арктических и холодных климатических зон — 1,2...4 мм2/с в за- висимости от класса. Согласно ГОСТ 305–82 кинематическая вязкость дизельных топлив нормируется при 20 С и равна: 3...6 мм2/с — для летних топлив; 1,8...5 мм2/с — для зимних топлив; 1,5...4 мм2/с — для ар- ктических топлив. Изменение кинематической вязкости приводит к нарушению работы топливоподающей аппаратуры, а также процессов смесе- образования и сгорания рабочей смеси. При пониженной вязкости топливо вытекает через зазоры в плунжерных парах топливного насоса высокого давления, вслед- ствие чего изменяется его дозировка, уменьшается цикловая по- дача, снижается давление впрыска, увеличивается нагарообразова- ние. Снижение вязкости топлива ухудшает и его смазочные свойства, что приводит к увеличению интенсивности изнашива- ния прецизионных плунжерных пар топливного насоса высокого давления, так как их износ определяется физическим состоянием топлива. Кроме того, при этом увеличивается опасность подтека- ния и просачивания маловязкого топлива и, как следствие, растет его расход. Падение мощности двигателя может быть вызвано сни- жением цикловой подачи топлива. Повышенная вязкость топлива приводит к ухудшению каче- ства смесеобразования, при распылении образуются крупные кап- ли и длинная струя с малым углом топливного факела. При этом продолжительность процесса испарения возрастает, топливо сго- рает не полностью, увеличивается его расход, повышается нага- рообразование, возникает дымление (цвет отработавших газов ста- новится темным). При повышении вязкости с 3 до 8 мм2/с коэффициент подачи топлива увеличивается на 15...16 %. Более мелкие и однородные по составу капли рабочей смеси улучшают процессы испарения, смесеобразования и сгорания, что характерно для распыления дизельного топлива с кинематической вязкостью 2,5...4,0 мм2/с при температуре 20 С. Дальнейшее сни- жение вязкости приводит к уменьшению длины струи топлива (поскольку мелкие капельки обладают малой кинетической энер- гией), наблюдается неравномерность образования горючей смеси, неполнота сгорания и перерасход топлива. Согласно ГОСТ СТБ 1658–2006 вязкость топлива должна составлять 2...4 мм2/с для умеренного климата и 1,2...4 мм2/с для топлива, применяемого для арктического и холодного климата. Поскольку с понижением температуры вязкость значительно возрастает, существенно ухудшаются пусковые свойства топлива, особенно в холодное время года. Повышение плотности топлива сказывается на процессе сме- сеобразования следующим образом: возрастает длина топливной струи, ухудшается экономичность двигателя и увеличивается дымность. При малой плотности топлива уменьшается длина струи, ухудшается процесс смесеобразования. Поэтому плотность дизельного топлива должна быть оптимальной с учетом сезонно- сти эксплуатации и других факторов и находиться в пределах от 800 до 845 кг/м3. По СТБ 1658–2006, соответствующему европейскому стандар- ту EN 590:2004, плотность дизельных топлив определяется при температуре 15 С и для умеренных климатических зон должна составлять 820...845 кг/м3, для арктических и холодных климати- ческих зон — 800...845 кг/м3 в зависимости от класса. В соответствии с ГОСТ 305–82 «Топливо дизельное. Техниче- ские условия» плотность дизельных топлив различных марок при температуре 20 С не должна превышать: 860 кг/м3 — для мар- ки Л, 840 кг/м3 — для марки З и 830 кг/м3— для марки А. Низкотемпературные свойства дизельного топлива являются его важными эксплуатационными характеристиками, связанными с подвижностью топлива при отрицательной температуре, т.е. его способностью поступать из топливного бака к двигателю беспере- бойно. В дизельном топливе содержатся растворенные парафино- вые углеводороды, которые при понижении температуры кристал- лизуются. Выделяющиеся кристаллы могут засорить систему питания двигателя, особенно топливные фильтры. Низкотемпера- турные свойства оцениваются по значениям предельной темпера- туры фильтрации, температуры помутнения и температуры засты- вания. При предельнойтемпературефильтрацииразмеры кристаллов твердых углеводородов увеличиваются и они не проходят через фильтры, т.е. текучесть топлива ухудшается. Температурапомутнения— это температура, при которой ме- няется фазовый состав топлива, так как наряду с жидкой фазой появляется твердая. При этой температуре топливо в условиях ис- пытания начинает мутнеть. При помутнении дизельное топливо не теряет текучести. Размеры кристаллов таковы, что они прохо- дят через элементы фильтров тонкой очистки, образуя на них тон- кую парафинистую пленку. Нарушение подачи топлива из-за его помутнения возможно при пуске и прогреве дизеля. Для обеспече- ния нормальной эксплуатации двигателя необходимо, чтобы тем- пература помутнения дизельного топлива была ниже температуры окружающего воздуха. Температура помутнения и предельная температура фильтра- ции топлива характеризуют условия его применения. Если топли- во не содержит депрессорных присадок, то предельная температу- ра фильтрации равна температуре помутнения или ниже ее на 1...2 С. Температуразастывания— это температура, при которой то- пливо полностью теряет подвижность. Температура застывания ниже температуры помутнения на 5...10 С. При понижении тем- пературы растущие кристаллы парафиновых углеводородов обра- зуют пространственную решетку, внутри ячеек которой находятся жидкие углеводороды топлива. При температуре застывания то- плива кристаллическая структура настолько упрочняется, что то- пливо теряет текучесть и приобретает студнеобразный вид. Для обеспечения нормальной работы дизельного двигателя необходи- мо, чтобы температура застывания топлива была на 8...12 С ниже температуры окружающего воздуха. Низкотемпературные свойства дизельных топлив улучшают двумя способами: удалением из их состава высокоплавких пара- финов нормального строения или добавлением в них депрессор- ных присадок. На нефтеперерабатывающих заводах температуру помутнения и температуру застывания понижают удалением из- бытка высокоплавких углеводородов (депарафинизация). Добавляя депрессорные присадки в количестве сотых долей процента, можно снизить предельную температуру застывания на 15...20 С. При введении депрессорных присадок температура по- мутнения топлива не изменяется. Механизм действия депрессор- ных присадок заключается в модификации структуры кристалли- зующихся парафинов, уменьшении их размеров. Низкотемпера- турные свойства дизельных топлив с депрессорными присадками оценивают по температуре помутнения и предельной температуре фильтрации, а топлив без депрессатора — по температурам помут- нения и застывания. Так, например, депрессорные присадки этилцеллозольва (жидкость «И») и ТГФ-М существенно снижают температуру за- стывания и предельную температуру фильтруемости и практиче- ски не изменяют температуру помутнения. Депрессорная присад- ка «Аспект-Д» вводится в летние и зимние топлива из расчета 2 г на 1 кг топлива. Присадка обеспечивает бесперебойную работу ди- зеля до температуры –20 С, что значительно сокращает время пу- ска холодного двигателя (присадку следует добавлять в топливо, в котором нет выпавших кристаллов парафина). Некоторые присадки к дизельным топливам снижают только температуру застывания, но не влияют на температуру фильтруе- мости, что приводит к образованию в топливных баках двух слоев: верхнего (прозрачного) слоя, обладающего пониженным цетано- вым числом, и нижнего (мутного), содержащего мелкие кристал- лы парафина. Следует отметить, что дизельного топлива зимних сортов вы- пускают значительно меньше, чем летних. Нефтеперерабатываю- щие заводы производят около 11 % зимнего и 1 % арктического дизельного топлива от общего объема. Потребность в зимнем ди- зельном топливе удовлетворена менее чем на 50 %. Поэтому зим- ние сорта топлива следует использовать только в холодное время и не допускать их смешивания с летними топливами. Для снижения температуры застывания дизельных топлив в условиях эксплуатации допускается в виде исключения добав- лять керосин в соотношениях, приведенных в табл. 2.9. С этой це- лью используют низкозастывающие сорта керосина (типа реак- тивного топлива) в количестве до 25 %. При сильном разбавлении дизельного топлива керосином сни- жается цетановое число, что приводит к жесткой работе двигателя и резкому ухудшению смазочных свойств, в связи с чем повыша- ется износ плунжерной пары. При температуре воздуха от –20 до –30 С двигатели работают на смеси, состоящей из 90 % дизельно- го топлива и 10 % керосина, а при температуре от –30 до –35 С они работают на смеси, состоящей из 75 % дизельного топлива и 25 % керосина. Обычный осветительный керосин непригоден для данной цели, так как имеет плохие низкотемпературные свой- ства. Температура помутнения осветительного керосина составля- ет от –12 до –15 С. Таблица2.9 Объемное содержание керосина в составе дизельного топлива для изменения его низкотемпературных свойств, %
Следует учитывать, что разбавленное керосином дизельное то- пливо теряет часть своих смазывающих свойств, что приводит к ускоренному изнашиванию деталей топливной аппаратуры. Кро- ме того, такое топливо более пожароопасное. Европейский стандарт EN 590 (действующий в странах Евро- пейского экономического сообщества с 1996 г.) и соответствую- щий ему стандарт СТБ 1658–2006 предусматривают выпуск ди- зельных топлив для различных климатических регионов. Для районов с умеренным климатом выпускается 6 марок дизельных топлив (А, В, С, D, Е и F), имеющих предельные температуры фильтруемости соответственно 5, 0, –5, –10, –15 и –20 С. Для районов с холодным и арктическим климатом предусмотрен вы- пуск 5 классов (0, 1, 2, 3 и 4) дизельного топлива с низкотемпера- турными свойствами (табл. 2.10). Таблица2.10 Характеристика дизельных топлив различных классов для районов с холодным климатом (по европейскому стандарту EN 590)
Согласно СТБ 1658–2006 допускается содержание метиловых эфиров жирных кислот (FAME) объемной долей 5 %. Пример записи в документах и/или при заказе дизельного то- плива для умеренного климата с предельной температурой филь- труемости не выше –20 С, содержанием серы не более 10 мг/кг: «Топливо дизельное ЕВРО, сорт F, вид I по СТБ 1658–2006». Пример записи в документах и/или при заказе дизельного то- плива для умеренного климата с номинальным значением объем- ной доли метиловых эфиров жирных кислот (FAME) 5 %, предель- ной температурой фильтруемости не выше –5 С, содержанием серы не более 50 мг/кг: «Топливо биодизельное ЕВРО-Б5, сорт С, вид II по СТБ 1658–2006». Склонность к нагарообразованию — эксплуатационное свой- ство дизельного топлива, влияющее на чистоту двигателя и то- пливной аппаратуры. Это свойство зависит от химического и фракционного состава топлива. При сгорании топлива наблюда- ется нагарообразование на стенках камеры сгорания и впускных клапанах, а также на распылителях и иглах распылителей форсу- нок. На стенках камеры сгорания, днищах поршней и впускных клапанах образуется плотный твердый нагар темного цвета, а на распылителях и иглах распылителей форсунок — мягкий смоли- стый нагар желтоватого цвета, иногда в виде светло-коричневой лаковой пленки. Отложение нагара на стенках камеры сгорания ухудшает отвод теплоты в систему охлаждения двигателя. Наличие нагара на впускных клапанах приводит к их закоксовыванию, в результате чего нарушается правильная посадка тарелки клапана на седло. Происходят утечка раскаленных газов и обгорание посадочных поверхностей клапана и седла, а в отдельных случаях — зависание клапана. Наибольшие нарушения в работе дизельных двигателей связа- ны с отложениями нагара на форсунках. Из-за нагара на распыли- телях ухудшается качество распыления топлива и искривляется факел распыла. При ухудшении распыления топлива нарушается смесеобразование, происходит неполное его сгорание, что приво- дит к дымлению, снижению мощности дизеля и повышенному рас- ходу топлива. Выпадение смолистых отложений на иглах распылителей спо- собствует их зависанию. Закоксовывание сопел и зависание игл распылителей сопровождаются подтеканием топлива, так как в этом случае иглы не садятся на уплотняющие конусы распыли- телей и не перекрывают их каналы. При подтекании топлива так- же наблюдается снижение мощности и экономичности дизеля, его дымление. Нагарообразование в двигателе зависит от следующих параме- тров применяемого дизельного топлива: содержания фактических смол и серы, фракционного состава, количества непредельных и ароматических углеводородов, зольности и коксуемости. С уве- личением содержания фактических смол в топливе увеличивается нагарообразование на деталях двигателя, закоксовывание отвер- стий распылителей и зависание игл. Повышение содержания серы в топливе приводит при его сгорании к увеличению нагара и лака, причем плотность нагара значительно возрастает. С увеличением зольности и коксуемости дизельного топлива растет его склонность к нагарообразованию. Зольность характери- зует содержание в топливе несгораемых примесей, которые выпа- дают в нагар, увеличивая его абразивные свойства. Коксуемость — это свойство топлива при нагревании без до- ступа воздуха образовывать углистый осадок (кокс). Коксуемость определяют для 10%-ного остатка после предварительной перегон- ки дизельного топлива. Коксуемость 10%-ного остатка топлива зависит от его фракционного состава и содержания асфальтосмо- листых соединений. Для дизельного топлива различных марок коксуемость составляет 0,2...0,3 %. Противокоррозионными свойствами дизельные топлива долж- ны обладать для обеспечения минимального коррозионного раз- рушения деталей двигателя. Причины коррозионной агрессивно- сти дизельных топлив те же, что и у бензинов: наличие в их составе сернистых соединений, водорастворимых кислот и щело- чей, а также органических кислот. При производстве дизельных топлив из сернистых нефтепро- дуктов получают газойлевые и соляровые дистилляты с содержа- нием серы до 1,0...1,3 %. Серу из дистиллятов удаляют каталити- ческим способом, позволяющим снизить ее содержание до 0,2...0,5 %. Повышенное до 0,6 % содержание серы в топливах при- водит к увеличению износа гильз цилиндров и поршневых колец в среднем на 15 %, а повышение содержания серы до 1 % ускоряет этот процесс в 1,5 раза. Ужесточающиеся нормативы для дизель- ного топлива требуют снижения содержания серы в нем. Так, со- гласно нормам EN 590, действовавшим с 1993 по 1996 гг., серы в дизельном топливе должно было быть не более 0,5 %. Нормами EN 590, действующими с 2000 г., и принятым в Республике Бела- русь СТБ 1658–2006 установлено содержание серы на уровне, не превышающем 0,035 % (350 мг/кг). Ужесточенные требования EN 590, действующие с 2009 г., ограничивают содержание серы на уровне 10...50 мг/кг. Содержание органических кислот в дизельном топливе харак- теризует кислотность топлива, которая должна быть не более 5 мг KОН в 100 см3 топлива. Повышение кислотности топлива приво- дит к увеличению коррозионного износа плунжерных пар топлив- ного насоса высокого давления и росту отложений. Из активных сернистых соединений (элементарная сера, мер- каптановая сера, сероводород) наибольшей коррозионной агрес- сивностью обладает меркаптановая сера. Установлено, что общий износ деталей двигателя приблизи- тельно прямо пропорционален содержанию серы в дизельном топливе. При температуре охлаждающей жидкости в двигателе ниже 70 С возрастает степень коррозионного износа, поскольку увеличивается образование серной кислоты. Продукты сгорания топлива, содержащие сернистый и серный ангидриды, проникают через неплотности цилиндропоршневой группы в картер, где об- разуют с водой серную и сернистую кислоты. Смешиваясь с мас- лом, кислоты ухудшают его качество, в частности антикоррозион- ные свойства, вызывают быстрое старение. Химическому износу подвергаются вкладыши подшипников, шейки коленчатых валов и другие детали. Особенно сильной коррозии подвержены вклады- ши из свинцовистой бронзы. В результате действия сернистых продуктов на картерное мас- ло получаются смолистые соединения, которые затем образуют нагар. При наличии сернистых соединений увеличивается нагаро- и лакообразование в цилиндропоршневой группе. Из-за содержа- ния серы нагар становится твердым, что приводит к абразивному изнашиванию цилиндропоршневой группы. Отложение лака в зоне поршневых колец ведет к их закоксовыванию и заклиниванию. Сернистые соединения в топливе способствуют также увеличению отложений на масляных фильтрах тонкой и грубой очистки. Смазывающая способность дизельных топлив определяет срок службы плунжерной пары насоса высокого давления. В глубоко- очищенных дизельных топливах с низким содержанием серы сма- зывающая способность значительно снижается. В этом случае тре- буется добавка в топливо противоизносных присадок. Содержание в топливах меркаптановой серы не должно превы- шать 0,01 % (норма по ГОСТ 305–82). При повышении массовой доли меркаптановой серы до 0,06 % коррозионный износ плунжер- ных пар и деталей форсунок увеличивается в 2 раза. Поэтому при производстве дизельных топлив обязательно проводят их корро- зионные испытания медной пластинкой. Если медная пластинка выдерживает испытания, то коррозионная агрессивность топлива отсутствует. Общая массовая доля серы в товарных дизельных то- пливах составляет 0,2...0,5 %. Кроме того, учитывая высокую коррозионную агрессивность и низкую химическую стабильность меркаптанов, помимо испыта- ния на медную пластинку (качественная оценка) содержание в производимом топливе меркаптановой серы определяют еще и потенциометрическим методом. Для улучшения экологии крупных населенных пунктов нашей страны предполагается снизить в топливах массовые доли серы (до 10...50 мг/кг) и ароматических углеводородов (до 8 %). Пер- спективные показатели качества дизельного топлива за рубежом следующие: в США содержание серы не более 0,003 %, ароматиче- ских углеводородов — не более 2 %; в Европе — соответственно не более 0,005 и 0,003 %. Водорастворимые кислоты и щелочи могут остаться в дизель- ном топливе после очистки серной кислотой или щелочью на не- фтеперерабатывающем заводе. Водорастворимые кислоты вызыва- ют коррозию всех металлов, а водорастворимые щелочи — алюминия, поэтому присутствие даже следов этих соединений в топливе не- допустимо. Минеральные кислоты и щелочи обнаруживают по реакции водной вытяжки. Присутствия водорастворимых кислот и щело- чей в дизельных топливах не допускается. Наличие воды и механических примесей в дизельном топливе служит одной из главных причин отказов топливной аппаратуры. Вода и механические примеси могут попадать в топливо, начиная от пути следования его из нефтезавода до использования в двига- теле. При наличии в дизельном топливе механических примесей происходит засорение фильтрующих элементов, ускоренный из- нос топливоподающей аппаратуры. При понижении температуры из воды, находящейся в топливе, образуются кристаллы льда, ко- торые забивают фильтрующие элементы, что уменьшает подачу топлива в двигатель. Согласно ГОСТ 305–82 содержание механических примесей и воды недопустимо. Однако в связи с «чувствительностью» метода оценки содержания механических примесей (ГОСТ 6370–83, СТБ ИСО 12662–2010) и воды (ГОСТ 2477–65, СТБ ИСО 12937–2003) за отсутствие загрязнений принимается содержание в топливе ме- ханических примесей до 0,005 % (ГОСТ 6370–83) или до 24 мг/кг (СТБ ИСО 12662–2010) и воды до 0,02...0,03 % (по массе). Со- держание воды в нефтепродуктах до 0,025 % включительно назы- вают следами. Большинство механических примесей имеют высокую твер- дость и вызывают повышенный износ деталей двигателя. Особен- но вредны примеси для топливных насосов высокого давления, насосов-форсунок, форсунок. В прецизионных парах зазор состав- ляет 1,5...3 мкм, поэтому даже небольшое количество механиче- ских примесей, размер которых соизмерим с зазором плунжерных пар, вызывает их интенсивное изнашивание. Механические примеси в дизельном топливе повышают смо- лообразование, вызывают засорение системы топливоподачи, уве- личивают количество отложений и нагара на форсунках, в камере сгорания и на других элементах, ухудшая надежность и долговеч- ность системы топливоподачи, значительно увеличивая расход то- плива и дымность отработавших газов. При использовании засо- ренного топлива срок службы топливной аппаратуры сокращается в 5–6 раз. Перед заправкой в бак машины топливо должно отстаиваться не менее 10 дней. Чистота различных слоев топлива при этом бу- дет неодинаковой. Даже при 10-дневном отстое в нижних слоях остаются мельчайшие частички механических примесей, представ- ляющие наибольшую опасность для топливной аппаратуры (табл. 2.11). Тракторы и автомобили необходимо заправлять то- пливом верхних слоев. Содержание механических примесей в ди- зельном топливе не допускается. Таблица2.11 Осаждение механических примесей из дизельного топлива в резервуаре диаметром 2 м при температуре 20 С   Показатель Время отстаивания, дни10  40 65 85Полностью
Не разрешается использовать топливо, содержащее воду, так как она приводит к нарушениям в работе двигателя, невозможности его пуска, повышенной коррозии, увеличению нагарообразования. Чистоту дизельного топлива оценивают по коэффициенту фильтруемости (ГОСТ 1906–73), который определяет эффектив- ность и надежность работы двигателя, особенно его топливной ап- паратуры. Коэффициент фильтруемости определяется как отно- шение времени фильтрования через фильтр из бумаги БФДТ при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива к времени фильтрования первой. На фильтруемость топлива вли- яет наличие в нем механических примесей, воды, смолистых ве- ществ, мыл нафтеновых кислот. Для дизельного топлива различ- ных марок коэффициент фильтруемости колеблется от 2 до 3. В результате микробного поражения топлива возможен отказ двигателей из-за засорения топливопроводов и топливных филь- тров. В дизельном топливе встречаются 45 видов различных бак- терий и около 20 видов различных грибков. Топлива загрязняются в резервуарах и трубопроводах, которые попеременно используют для различных нефтепродуктов. Микробное загрязнение топлива особенно часто происходит в резервуаре, на дне которого присут- ствует вода. Заражение дизельного топлива осуществляется путем проникновения бактерий и грибков извне с воздухом и водой или вследствие контакта с зараженным ранее топливом. Микроорга- низмы распространяются вдоль поверхности раздела вода — то- пливо и живут в воде, питаясь топливом. По мере развития бактерий и грибков качество топлива резко ухудшается, происходят неблагоприятные изменения топлива, ко- торые вызывают его помутнение, микробиологическую коррозию, образование осадка, засорение фильтров и трубопроводов, разло- жение присадок и добавок. Помутнение топлива происходит из-за повышения содержания в нем воды вследствие образования побочных продуктов жизнедея- тельности микробов — поверхностно-активных веществ, которые увеличивают растворимость воды в топливе. Микробиологическая коррозия происходит в результате выделения бактериями серово- дорода, который растворяется в топливе и вызывает сильную то- чечную коррозию топливных баков и трубопроводов. Микроорга- низмы оседают на дне резервуаров и образуют слой, который способствует микробиологической коррозии. Осадок загрязняется жизнеспособными микробами и грибками и служит постоянным источником инфицирования. Различные добавки и присадки в ди- зельном топливе, особенно содержащие азот и фосфор, усваивают- ся микроорганизмами, и их эффективность снижается. Для обеззараживания дизельного топлива и профилактики его заражения разработана добавка на основе производных изотиазо- лона и др. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||