Процессу сгорания топлива, безусловно, предшествуют процессы его испарения, воспламенения и многие другие. Характер поведения топлива в каждом из этих процессов и составляет суть основных эксплуатационных свойств топлива. В настоящее время рассматривают и оценивают следующие эксплуатационные свойства топлива.
Испаряемость характеризует способность топлива переходить из жидкого состояния в парообразное. Это свойство формируется из таких показателей качества топлива, как фракционный состав, давление насыщенных паров при различных температурах, поверхностное натяжение и др. Испаряемость имеет важное значение при подборе топлива и во многом определяет технико-экономические и эксплуатационные характеристики двигателей.
Воспламеняемость характеризует особенности процесса воспламенения смесей паров топлива с воздухом. Оценка этого свойства базируется на таких показателях качества, как температурные и концентрационные пределы воспламенения, температуры вспышки и самовоспламенения и др. Показатель воспламеняемости топлива имеет такое же значение, как и его горючесть; в дальнейшем эти два свойства рассматриваются совместно.
Горючесть определяет эффективность процесса горения топливовоздушных смесей в камерах сгорания двигателей и топочных устройствах.
Прокаливаемость характеризует поведение топлива при перекачках его по трубопроводам и топливным системам, а также при его фильтровании. Это свойство определяет бесперебойность подачи топлива в двигатель при разных температурах эксплуатации. Прокачиваемость топлива оценивают вязкостно-температурными свойствами, температурами помутнения и застывания, предельной фильтруемостью, содержанием воды, механических примесей и др.
Склонность к образованию отложений — это способность топлива образовывать отложения различного рода в камерах сгорания, в топливных системах, на впускных и выпускных клапанах. Здесь подразумеваются отложения, образующиеся как при относительно низких температурах в системах питания и смесеобразования двигателей, так и отложения нагара, получающиеся при высоких температурах в процессе сгорания топлива. Оценка этого свойства базируется на таких показателях, как зольность, коксуемость, содержание смолистых веществ, непредельных углеводородов и т.д.
Коррозионная активность и совместимость с неметаллическими материалами характеризует способность топлива вызывать коррозионные поражения металлов, набухание, разрушение или изменение свойств резин, герметиков и других материалов. Это эксплуатационное свойство предусматривает количественную оценку содержания в топливе коррозионно-активных веществ, испытание стойкости металлов, резин и герметиков при контакте с топливом.
Защитная способность — это способность топлива защищать от коррозии материалы при их контакте с агрессивной средой в присутствии топлива и в первую очередь способность топлива защищать металлы от электрохимической коррозии при попадании воды. Это свойство оценивается специальными методами, предусматривающими воздействие обычной и морской воды на металлы в присутствии топлива.
Противоизносные свойства характеризуют уменьшение изнашивания трущихся поверхностей в присутствии топлива. Это свойство имеет важное значение для двигателей, у которых топливные насосы и топливно-регулирующая аппаратура смазывается только самим топливом без подачи смазочного масла. Свойство оценивается показателями вязкости и смазывающей способности.
Охлаждающая способность определяет возможность топлива поглощать и отводить тепло от нагретых поверхностей при использовании топлива в качестве теплоносителя. Свойство имеет значение в тех случаях, когда топливо применяют для охлаждения масла (топливомасляные радиаторы) или наружной обшивки летательного аппарата при больших скоростях полета. Оценка свойства базируется на таких показателях качества, как теплоемкость и теплопроводность.
Стабильность характеризует сохраняемость показателей качества топлива при хранении и транспортировании. Это свойство оценивает физическую и химическую стабильность топлива и его склонность к биологическому поражению бактериями, грибками и плесенью. Уровень этого свойства позволяет установить гарантийный срок хранения топлива в различных климатических условиях.
Экологические свойства характеризуют воздействие топлива и продуктов его сгорания на человека и окружающую среду. Оценка этого свойства базируется на показателях токсичности топлива и продуктов его сгорания и пожароопасности.
Склонность к нагарообразованию. При сгорании топлива в дизелях на стенках камеры сгорания и выпускных клапанах образуется нагар. Нежелательные последствия отложения нагара в дизелях оцениваются несколько иначе, чем в карбюраторных двигателях. Теплоизолирующее действие нагара и его объемное влияние на степень сжатия для дизельного двигателя не имеют такого решающего значения, как для карбюраторного.
Отложение нагара на выпускных клапанах дизельного двигателя ведет к нарушению их посадки и потере герметичности. Обрастание нагаром продувочных окон ухудшает газообмен в двухтактных двигателях.
Основные же отрицательные последствия в дизельных двигателях связаны с образованием нагара и отложений на форсунках. Наличие нагара на распылителях вызывает искривление факела, ухудшение качества распыливания, появление дымного выпуска отработавших газов и снижает экономичность двигателя. Попадание частичек нагара под иглы распылителей форсунок приводит к их зависанию, т. е. такому положению, когда игла не плотно садится в свое гнездо и не перекрывает канал распылителя форсунки. В результате этого топливо подтекает, падает мощность и экономичность двигателя, появляется дымный выпуск отработавших газов. Характер отложений на различных деталях камер сгорания неодинаков. На днищах поршней и стенках головки цилиндров нагар более плотный, довольно твердый, темно-серого цвета, нерастворимый в различных растворителях.
На иглах форсунок нагар обычно более мягкий, смолистый, соломенного цвета. Иногда отложения на иглах форсунок по внешнему виду похожи на лак, такие же отложения появляются и на боковых поверхностях поршней.
Нагарообразование в дизельных двигателях протекает неравномерно по времени. В первые часы работы двигателя этот процесс идет интенсивно, затем несколько замедляется, достигая равновесного состояния (масса о бразующегося нагара примерно равна массе выгорающего нагара).
Нагарообразование, кроме конструктивных факторов и режима работы двигателя, зависит от качества применяемого топлива. Среди физико-химических свойств на образование отложений влияют такие характеристики, как фракционный состав, общее содержание сернистых соединений и содержание меркаптановой серы, природа и концентрация алкенов и ароматических углеводородов, содержание и характер смолистых веществ.
Более тяжелые виды дизельного топлива образуют больше нагара. Так, если облегченные виды дизельного топлива типа керосинов (пределы выкипания от 130 до 280°C) в определенных условиях дают 100–140 мг нагара на 1 кг топлива, то в аналогичных условиях товарные виды дизельного топлива (пределы выкипания от 160 до 360°C) – 245–265 мг/кг, нагара, а виды топлива утяжеленного фракционного состава (выкипающие до 400–420°C) – около 360 мг/кг.
Чем выше содержание серы в топливе, тем больше нагара и лака получается при его сгорании. Сера, содержащаяся в топливе, влияет не только на массу образующегося нагара, но и на его свойства. Сернистые соединения, накапливаясь в нагаре, повышают его плотность.
Влияние серы на нагарообразование является одной из причин ограничения ее содержания в товарном дизельном топливе. При сгорании гидроочищенного топлива нагарообразование снижается в 1,5–2 раза.
Среди сернистых соединений, присутствующих в дизельных топливах, наибольшее влияние на нагарообразование оказывают меркаптаны. В присутствии меркаптанов ускоряется окисление нестабильных соединений дизельного топлива и тем самым увеличивается скорость образования отложений. Поэтому содержание меркаптановой серы в товарном дизельном топливе не должно превышать 0,01 %. Удаление меркаптанов из сернистого дизельного топлива приводит к тому, что в 2–5 раз уменьшается толщина лаковых пленок на иглах, а температура начала осмоления игл распылителей форсунок повышается на 25–30°C.
Среди углеводородов, содержащихся в дизельном топливе, на процесс нагарообразования в большей степени влияют алкены и ароматические углеводороды. С увеличением содержания ароматических углеводородов склонность топлива к нагарообразованию возрастает.
Существенную роль в процессе нагарообразования играют алкены, в частности олефины. В топливе, полученном прямой перегонкой нефти, их содержание невелико. Добавление к топливу, полученному прямой перегонкой нефти, компонентов вторичной переработки нефти (от процессов термического и каталитического крекинга) повышает содержание олефинов в дизельном топливе. Испытания показали, что добавление к топливу, полученному прямой перегонкой нефти, даже 20 % дизельных фракций термического крекинга приводит к резкому ухудшению его эксплуатационных свойств, а именно снижается стабильность при хранении и повышается склонность к нагарообразованию. Такое топливо вызывает быстрое осмоление игл распылителей форсунок и их зависание.
В связи с этим добавление продуктов термического крекинга в товарные виды топлива для быстроходных дизелей запрещено.
В продуктах каталитического крекинга меньше алкенов, поэтому в товарное дизельное топливо из сернистой нефти допускается добавлять до 20 % каталитического газойля.
С увеличением содержания смолистых веществ склонность дизельного топлива к нагарообразованию возрастает. Добавление к обессмоленному топливу всего лишь 0,25 % смолистых веществ приводит к образованию отложений и зависанию игл распылителей форсунок.
Содержание смолистых веществ в дизельном топливе оценивают так же, как в автомобильных бензинах – определением содержания фактических смол. С увеличением содержания фактических смол в дизельном топливе их склонность к нагарообразованию возрастает. Поэтому одно из требований к качеству дизельного топлива – содержание фактических смол не должно превышать 30–60 мг/100 мл.
Склонность дизельного топлива к нагарообразованию зависит также от его коксуемости и зольности.
Коксуемость — это способность топлива образовывать в условиях нагрева без доступа воздуха остаток в виде угля (кокса). Для дизельного топлива коксуемость зависит от их фракционного состава и содержания смолистых и нестабильных соединений. Чем быстроходней и термически напряженней двигатель, тем меньше должна быть коксуемость применяемого топлива. Коксуемость определяют либо для топлива в целом, либо для его 10 %-ного остатка после перегонки (коксуемость 10 %-ного остатка должна быть не более 0,5 %).
Зольность топлива характеризует содержание в нем несгораемых примесей: чем меньше зольность, тем меньше неорганических примесей попадает в нагар. Увеличение массы золы в нагаре ведет к повышению его абразивных свойств. Допустимое содержание золы в дизельном топливе лежит в пределах 0,01—0,02 %.
Товарное дизельное топливо, отвечающее указанным выше требованиям по фракционному составу, йодному числу, содержанию фактических смол, общей и меркаптановой серы, зольности и коксуемости, обеспечивает работу двигателей на всех режимах с незначительным образованием отложений.
Комментарии посетителей