Свойства, влияющие на подачу топлива и образование рабочей смеси

Бесперебойная подача топлива в цилиндры обеспечивается комплексом физико-химических свойств (которые зависят от химического и фракционного состава) и содержанием примесей; она оценивается как прокачиваемость топлива.

Некоторые физико-химические свойства дизельного топлива в очень сильной степени зависят от температуры. При понижении температуры возрастает вязкость – сопротивление при перемещении одних слоев топлива относительно других слоев, что затрудняет или делает невозможной работу топливной системы из-за высокого сопротивления при движении топлива.

При дальнейшем снижении температуры начинается образование мелких кристаллов насыщенных углеводородов – парафинов. Топливо становится непрозрачным, сохраняя текучесть, однако велика вероятность забивания топливных фильтров кристаллами. Выпадение кристаллов характеризуется температурой помутнения дизельного топлива.

Наконец, охлаждение до еще более низких температур и достижение температуры застывания приводит к потере текучести, топливо становится мазеобразным. Температуры помутнения и застывания определяют предельно низкую температуру применения дизельного топлива. Нижний температурный предел применения дизельного топлива на 3–5°С выше температуры помутнения и на 10–15°С выше температуры застывания.

Можно считать, что температура помутнения (t_п) характеризует фильтруемость топлива, а температура застывания (t_з) – прокачиваемость. Помимо этих показателей в стандарты введен более объективный показатель – предельная температура фильтруемости. Это минимальная температура, при которой заданный объем топлива прокачивается через стандартный фильтр за определенный промежуток времени (t_ф).

Требования к вязкостно-температурной характеристике дизельного топлива противоречивы. При высокой вязкости не достигается необходимая тонкость распыления топлива форсункой, ухудшается испарение и смесеобразование. Сгорание становится неполным, повышается дымность отработавших газов и нагарообразование, снижается экономичность работы двигателя. Низкая вязкость не обеспечивает хорошее смачивание трущихся металлических поверхностей, увеличивается износ, и, кроме того, возможно подтекание топлива через зазоры плунжерных пар насоса.

Для улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив (то есть для расширения температурного диапазона их возможного использования) при производстве дизельных топлив производят депарафинизацию дизельных фракций. Удаление части парафинов позволяет снизить температуры помутнения и застывания на несколько десятков градусов и получать топлива с весьма низкими температурами помутнения и застывания. По этим показателям дизельные топлива делятся на летние, зимние и арктические. (Необходимо учитывать, что при снижении содержания парафинов ухудшается самовоспламеняемость дизельного топлива, и это устанавливает некий предел депарафинизации.)

Низкотемпературные свойства дизельных топлив можно улучшить добавлением депрессантов. Депрессорные присадки снижают t_з (на 20–25°С) и t_ф (на 12–15°С), но практически не изменяют t_п.

Для топлив с депрессорной присадкой разница между температурой помутнения и температурой фильтруемости составляет 10–17°С, и в этом случае поведение топлива при низких температурах определяется не температурой помутнения, а предельной температурой фильтруемости.

В качестве примера можно привести показатели летнего дизельного топлива, полученного из западносибирской нефти, до и после введения депрессанта:

летнее топливо t_п = –5°С, t_ф = –8°С, t_з = –15°С

то же топливо с t_п = –5°С, t_ф = –24°С, t_з = –35°С

депрессантом

Таким образом, даже летние топлива с присадкой могут обеспечить пуск холодного двигателя. Специальные добавки – антигели – снижают t_ф настолько, что возможна эксплуатация двигателя до –45°С.

Стандартами установлены пределы вязкости при 20°С для всех марок дизельных топлив. Температура 20°С выбрана потому, что величина вязкости при этой температуре достаточно точно отражает изменения вязкости при более низких температурах, а это важно для прокачивания топлива в топливной системе двигателя. Поэтому для летних марок величина вязкости должна быть выше, чем для зимних и арктических топлив.

Нарушения работы в системе подачи топлива могут возникнуть при забивании фильтров тонкой очистки из-за высокого содержания примесей в дизельном топливе. Забиваться фильтры могут механическими примесями, попадающими в топливо при транспортировке, хранении, заправке двигателя, кристалликами льда, которые образуются при низких температурах из воды, присутствующей в растворенном виде или в виде эмульсии, смолистыми соединениями, солями нафтеновых кислот (мылами). Примеси вызывают износ топливной системы автомобиля, а их количество в дизельном топливе определяет срок службы фильтров тонкой очистки. Оно регламентируется коэффициентом фильтруемости. Коэффициент фильтруемости определяется как отношение времени фильтрования последней (десятой) порции топлива (2 мл) ко времени фильтрования первой порции топлива (также 2 мл) через специальный бумажный фильтр. Величина коэффициента фильтруемости не должна быть больше 3.

Стандартами ограничено содержание смолистых веществ, а механические примеси и вода должны отсутствовать (что изначально может быть достигнуто только на месте производства). От механических примесей избавляются также отстаиванием и фильтрованием при сливе топлива в резервуары и при заправке. При эксплуатации автомобиля топливо также очищается фильтрующими элементами.

В дизельных двигателях, о чем упоминалось раньше, смесеобразование происходит в очень короткие отрезки времени (тысячные доли секунды). На первой стадии смесеобразования – распылении топлива, основное влияние оказывают вязкость и плотность топлива. На второй стадии – испарении – основное значение имеет фракционный состав дизельного топлива, который определяет его испаряемость.

При высоком содержании низкокипящих фракций испаряемость хорошая, горючая смесь однородна. Однако ухудшается способность смеси к самовоспламенению от сжатия, запуск двигателя затруднен, он работает жестко.

«Утяжеленное» дизельное топливо хуже распыляется, имеет низкое давление паров из-за плохой испаряемости, смесеобразование ухудшается, пуск холодного двигателя затруднен, увеличивается нагароотложение, дымность из-за неполного сгорания. Несгоревшая часть (тяжелые фракции) топлива смывает со стенок цилиндра масло, что приводит к износу двигателя.

Таким образом, для нормальной и экономичной работы двигателя необходимы топлива определенного фракционного состава.

Температура начала кипения дизельных топлив не регламентируется (она составляет 180–190°С). Стандартами установлены лишь два температурных показателя фракционного состава – температуры выкипания 50 % и 96 % топлива (t_50% и t_96%). Первый показатель характеризует пусковые свойства дизельного топлива, так как топливо должно содержать некоторое количество легких фракций для обеспечения запуска, а второй ограничивает содержание тяжелых фракций для того, чтобы обеспечить полное сгорание. Кроме того, установлены различные показатели t_50% и t_96% для летних, зимних и арктических дизельных топлив.