По сравнению с бензиновыми двигателями, главное преимущество дизелей — высокая топливная экономичность. Они потребляют топлива на 30 % меньше; этим частично компенсируется большая доля массы самих двигателей в составе силовой установки. Кроме того, дизели обладают меньшей токсичностью продуктов сгорания. Они выбрасывают в атмосферу окиси углерода почти в 10 раз меньше, углеводородов — в 2,5 раза, окислов азота — на 10—15%. Однако в отработавших газах дизелей содержится больше сажи — твердых несгоревших углеродистых частиц, что значительно повышает дымность.
Благодаря тому, что дизельное топливо менее опасно в пожарном отношении, его начали использовать в судовых (конвертированных авиационных) газотурбинных двигателях на быстроходных катерах, судах на подводных крыльях и воздушной подушке.
Учитывая сложность процессов смесеобразования и сгорания в дизелях, к топливу предъявляются следующие эксплуатационные требования:
- необходима хорошая прокачиваемость для бесперебойной и надежной работы топливного насоса высокого давления (оптимальная вязкость, нужные низкотемпературные свойства, отсутствие воды и механических примесей);
- обеспечение тонкого распиливания и хорошее смесеобразование;
- полнота сгорания для обеспечения легкого запуска и «мягкой» работы дизеля;
- отсутствие повышенного нагарообразования на клапанах, кольцах и поршнях, закоксовывания форсунок и зависания иглы распылителя;
- не вызывать коррозию резервуаров, топливопроводов, деталей двигателя;
- при сгорании выделять возможно большее количество тепла и быть стабильным при хранении.
В зависимости от вязкости дизельные топлива подразделяются на три группы: дистиллятные малой вязкости, применяющиеся на высокооборотных дизелях (частота вращения коленчатого вала д более 1000 об/мин); дистиллятные средней вязкости — типа солярового масла, использующиеся на двигателях средней быстроходности (n=500÷1000 об/мин); остаточные высокой вязкости, применяющиеся на малогабаритных дизелях (n=100÷500 об/мин).
О сгорании топлива в дизелях
Дизели являются двигателями с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением от сжатий, которые происходят за очень короткий промежуток времени, соответствующий времени поворота коленчатого вала всего на 20—25°. По сравнению с карбюраторными двигателями, в дизелях при той же частоте вращения коленчатого вала времени на смесеобразование и сгорание отводится в 10—15 раз меньше.
Впрыскиваемое при помощи форсунки дизельное топливо воспламеняется в цилиндре за счет тепла сжатого воздуха. Чем меньше температура самовоспламенения топлива, тем лучше происходит процесс сгорания. Поэтому температура самовоспламенения считается одной из важнейших характеристик качества дизельного топлива.
В цилиндре дизеля впрыснутое топливо воспламеняется не сразу, а с некоторой задержкой, необходимой для распыла топлива в сжатом и нагретом воздухе, его перемешивания с воздухом, испарения. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит прежде всего от химического состава топлива и молекулярной структуры углеводородов.
Основной величиной, позволяющей судить о пригодности топлива для дизелей, служит цетановое число (ЦЧ). Цетановым числом топлива называется процентное (по объему) содержание цетана в смеси с α-метилнафталином, при котором эта смесь, сгорая в двигателе, дает такую же задержку самовоспламенения, как топливо, для которого определяется цетановое число. Цетан — это легковоспламеняющийся углеводород, ЦЧ которого принято равным 100, а α-метилнафталин — очень трудно воспламеняющийся ароматический углеводород, ЦЧ которого принято за нуль.
Обычно ЦЧ определяют по методу совпадения вспышек на специальных одноцилиндровых двигателях с переменной степенью сжатия. Подбирая различные соотношения цетана и α-метилнафталина, получают смесь, которая дает тот же период задержки самовоспламенения, как топливо, для которого определяется ЦЧ.
Так как дизельное топливо даже одной и той же марки может состоять из углеводородов различного соотношения, то и сгорает оно по-разному. Поэтому после заправки необходимо правильно установить оптимальный угол опережения впрыска: максимальное нарастание давления должно быть около ВМТ. При большом угле опережения впрыска по* дача топлива начинается в недостаточно прогретый воздух, жесткость работы дизеля увеличивается, большая часть заряда топлива может сгореть до подхода поршня к ВМТ. Это увеличивает противодавление, понижает мощность двигателя. Когда угол мал, во время рабочего хода возникает догорание, что также ведет к ощутимому понижению мощности, неполному сгоранию и перерасходу топлива.
С 1983 г. вошел в действие ГОСТ 305—82 «Топливо дизельное. Технические условия», который содержит уточненные показатели. Он распространяется на топливо для наземной и судовой техники, получаемое из продуктов переработки нефти.
Раньше по ГОСТ 305—73 и ГОСТ 4749—73 изготовлялось восемь сортов дизельного топлива. Новый ГОСТ в целях унификации предусматривает всего три марки топлива для разных условий эксплуатации: Л (летнее), З (зимнее) и А (арктическое).
По новому стандарту дизельные топлива подразделяются на два вида. Они зависят от содержания серы. Массовая доля серы указывается в условном обозначении дизельного топлива. Кроме того, для летнего топлива указывается температура вспышки, а для зимнего температура застывания. Например, обозначение топлива летнего с массовой долей серы до 0,2 % и температурой вспышки 40 °С будет следующим: топливо дизельное Л—0,2—40 ГОСТ 305—82.
Следует отметить, что увеличение ЦЧ сверх предусмотренных стандартом не дает преимущества в эксплуатации. Например, его повышение с 50 до 70 уменьшает период задержки воспламенения только на 2° поворота коленчатого вала при одновременном увеличении удельного расхода топлива.
Фракционный состав дизельного топлива
Современные форсированные двигатели требуют нормированного фракционного состава, от которого зависит качество распыливания и сгорания и другие показатели.
В прежних стандартах имелись отличия во фракционном составе топлив, получаемых из сернистых и малосернистых нефтей. По новому правилу фракционный состав должен соответствовать топливу из сортов малосернистой нефти, обладающему более высокими эксплуатационными свойствами.
С фракционным составом топлива тесно связана температура вспышки, при которой пары топлива с воздухом образуют горючую смесь, вспыхивающую при поднесении огня. От температуры вспышки зависит пожарная опасность при транспортировке, хранении и применении дизельного топлива. Непосредственно на работу двигателя температура вспышки не влияет. Для двигателей, работающих в закрытых помещениях (судовые, тепловозные двигатели) она должна быть выше. Поэтому в новом ГОСТе температура вспышки указана в зависимости от назначения двигателя.
Существенное влияние на работу двигателя оказывает вязкость топлива. Если она чрезмерно большая или малая, нарушаются работа топливоподающей аппаратуры, процессы смесеобразования и сгорания, повышается расход топлива.
Наилучшими свойствами обладает топливо средней вязкости (2,5÷4,0 сСт при 20 °С). При распиливании оно образует мелкие и однородные по составу капли, что улучшает процессы испарения, смесеобразования и сгорания. Как и для других нефтепродуктов, вязкость дизельного топлива уменьшается с увеличением температуры. Изменение вязкости существенно влияет на пусковые свойства, в основном в зимнее время.
Низкотемпературные свойства топлива оцениваются температурами застывания и помутнения. Внешний его вид изменяется в результате выпадения твердых углеводородов. При дальнейшем охлаждении в топливе скачала появляются кристаллы, а затем оно застывает (зимние сорта при —25—30 °С). Зимние сорта топлива получают из нефтей, содержащих нафтеновые углеводороды, имеющие низкую температуру застывания (ниже —50 °С), Использовать топливо можно только при температуре окружающего воздуха выше температуры помутнения. Температура эксплуатации должна быть выше возможной температуры застывания по крайней мере на 10°С. Если в топливе содержится вода, оно будет мутнеть прил 0 °С. Применять летом зимние сорта топлива нельзя: их вырабатывают в количестве, достаточном лишь для зимней эксплуатации. Кроме того, при использовании зимних сортов летом возрастают потери на испарение. Смешивать топлива летних и зимних сортов тоже нельзя.
Коррозия и дизельное топливо
Коррозионная активность дизельного топлива зависит от содержания водорастворимых (минеральных) кислот и щелочей, органических кислот, сернистых соединений и воды. Углеводороды, входящие в состав топлива, не оказывают корродирующего действия на металлы. Как и в бензинах, в дизельном топливе не должны содержаться вещества, имеющие кислотную реакцию и вызывающие сильную коррозию металлов.
Дизельное топливо как более тяжелое по составу, чем бензин, имеет повышенную гигроскопичность. Вода, попавшая в топливо, долго остается в его толще и осаждается медленно, вызывая коррозию топливной аппаратуры.
Наиболее сильную коррозию при работе двигателя вызывают сернистые соединения, содержащиеся в топливе. Активные сернистые соединения удаляются при производстве топлива в процессе очистки. В топливе содержатся сернистые соединения, не действующие непосредственно на металлы, однако при их сгорании образуются кислотные окислы, наиболее активным из которых является серный ангидрид.
Сернистой коррозии наиболее подвержены форсированные быстроходные дизели. При избытке кислорода и высокой температуре сернистый ангидрид переходит в серный, вызывая более интенсивную газовую коррозию тарелок выпускных клапанов, верхней части цилиндров, верхнего компрессионного кольца и выпускной системы. В малонапряженных дизелях, когда температура охлаждающей жидкости невысока, возникают условия для конденсации паров и появления жидкостной коррозии, при которой больше разрушаются вкладыши подшипников.
Сера вредна не только с точки зрения коррозионного износа, но и способности образовывать твердый и плотный нагар, частицы которого, попадая в масло, увеличивают износ деталей и вызывают залегание поршневых колец.
Для борьбы с сернистой коррозией необходимо уметь правильно применять моторные масла, содержащие определенные композиции присадок. Из присадок, добавляемых к дизельному топливу, наиболее эффективен нафтенат цинка, который при сгорании топлива связывает окислы серы в сульфосоединения.
Нагар и смолообразование
Как и в карбюраторных двигателях, в дизелях интенсивность накопления смолистых веществ, лаковых отложений и нагаров зависит от качества используемых топлива и моторного масла. Накопление высокотемпературных отложений в камере сгорания, на клапанах и других деталях вызывает перегрев двигателя, снижение мощности, ухудшение экономичности. При закоксовывании отверстий распылителей форсунок ухудшается распыл топлива, снижается или совсем прекращается его подача.
Дизельное топливо содержит большее количество смолистых соединений, чем бензин, что способствует неполному сгоранию. Количество смол в топливе оказывает существенное влияние на моторесурс двигателя. Если оно соответствует требованиям стандарта, обеспечивается длительная надежная работа дизеля, а если содержание смол в два-три раза больше нормы, моторесурс может снизиться на 40—50%.
Зола, образующаяся после сгорания топлива, представляет собой минеральный остаток. Она не только участвует в образовании нагаров, но и увеличивает износ двигателей.
Зазоры прецизионных пар топливных насосов высокого давления составляют всего 1,5—2,5 мкм, поэтому даже небольшое количество механических примесей в дизельном топливе вызывает их износ. Особенно вредны абразивные загрязнения кристаллического строения — кварциты и глиноземы, обладающие высокой твердостью; они могут попадать в топливный бак при небрежной перевозке и хранении топлива. Для быстроходных дизелей непригодно топливо, содержащее механические примеси даже в ничтожном количестве.
Требования безопасности
Взрывоопасная концентрация паров дизельного топлива в смеси с воздухом составляет 2—3% по объему. Температуры самовоспламенения топлива: марки Л — 300 °С; 3 — 310 °С; А — 330 °С. Температурные пределы воспламенения топлива: марки Л — 69—119 °С; З — 62—105 °С; А — 57—100 °С.
В помещениях, предназначенных для хранения и эксплуатации дизельного топлива, запрещается обращаться с открытым огнем. Искусственное освещение должно быть во взрывобезопасном исполнении.
При работе с топливом нельзя использовать инструменты, дающие при ударе искру. Если пожар все же возник, для его тушения можно использовать распыленную воду и пену; при объемном тушении — углекислый газ, состав СЖБ, состав 3,5 и перегретый пар.
Емкости, в которых хранится и транспортируется топливо, должны быть защищены от статического электричества.
Дизельное топливо относится к веществам 4 класса опасности (малотоксичным). Оно раздражает слизистую оболочку и кожу человека, Предельно допустимая концентрация паров топлива в воздухе рабочей зоны составляет 300 мг/м3.
Гарантийный срок хранения дизельного топлива, установленный стандартом, — 5 лет со дня изготовления.
Для справки сообщаем, что топливо для среднеоборотных и малооборотных дизелей изготовляют по другому стандарту — ГОСТ 1667—68.
Физико-химические показатели дизельного топлива
(ГОСТ 305—82)
