Дизельні палива
Дизельне паливо (ДП) за технологією виробляти простіше, але його сировинна база
обмеженіша – його одержують прямою перегонкою нафти та каталітичним крекінгом
нафтопродуктів.
Важливими властивостями дизельного палива є випаровуваність, займистість,
низькотемпературна плинність, в'язкість, вміст сірки й стабільність при зберіганні.
Випаровуваність і теплотворність дизельного палива різних марок варіюється у вузьких
межах, визначається щільністю, фракційним складом (температурою википання 50% й 90%
об'єму при перегонці) і слабко впливають на роботу дизеля.
Займистість впливає на легкість пуску, тривалість "білого димлення" після пуску,
приймистість до прогріву та інтенсивність "дизельного стукоту" (твердість роботи) на холостому
ході. Займистість прямо визначає вміст шкідливих складових (СО та СН) у відпрацьованих газах
двигуна. Зі зменшенням затримки запалювання процес згоряння починається раніше і вміст
шкідливих складових ВГ знижується.
Затримка запалювання характеризується цетановимчислом(2.4) (ЦЧ, англ. CN), яке
вимірюється при випробуванні на одноциліндровому двигуні з регульованим ступенем стиску,
що аналогічний двигуну для визначення октанового числа бензину.
Затримку запалення вимірюють при фіксованому ступені стиску, і результати зіставляють
зі стандартним еталонним паливом, що складається з суміші нормального цетану та
альфаметилнафталіну (у ряді країн – гептаметилноанолу).
Цей показник залежить від октанового числа, що виражається емпіричною формулою:
ЦЧ = 60 - ОЧ/2.
Дизельні двигуни широко різняться за вимогами до ЦЧ, і немає загальновизнаних шляхів
визначення цих вимог.
Вимоги дизелів до якості палива залежать від їхньої швидкохідності. Швидкохідні дизелі
із середньою швидкістю поршня більше 10 м/с мають більш високі вимоги до ЦЧ, ніж дизелі з
середньою швидкістю поршня менше 10 м/с. У загальному випадку, у двигунах з меншим
номінальним числом обертів використовується паливо з меншим цетановим числом. Великі
суднові дизелі нормально працюють на паливі з ЦЧ до 20, тоді як виробники сучасних
високошвидкісних дизелів легкових автомобілів вимагають паливо з ЦЧ не менше 55. Більшість
виробників дизелів для вантажних автомобілів вимагають мінімальне ЦЧ≈40ч45.
Чим вище цетанове число, тим нижче швидкість наростання тиску і тем менш жорстко
працює двигун. Однак, з підвищенням ЦЧ над оптимальним трохи зменшується економічність
двигунів і підвищується димність відпрацьованих газів. Для вітчизняних швидкохідних дизелів
оптимальним ЦЧ є 40ч50. У літню пору року можуть успішно застосовуватися палива з ЦЧ не
менше 40. Для забезпечення гарантованого зимового пуску двигуна ЦЧ повинне бути не менше
45.
Найбільш високі цетанові числа мають парафінові вуглеводні нормальної структури.
Найнижчі ЦЧ – у ароматичних вуглеводнів, що не мають бічних ланцюгів. Для підвищення (на
2ч7) одиниць ЦЧ можуть використовуватися відповідні присадки (ізопропіл або
циклогексилнітрати). Однак їхнє застосування носить обмежений характер, тому що призводить
до зниження температури спалахування й підвищення коксівності палива.
За кордоном для оцінки займистості дизельних палив поряд із ЦЧ використовують
розрахунковий дизельний індекс ДІ (Diesel Index). ДІ для конкретного палива визначається за
значеннями густини при 15°С і температурі анілінової точки. Цей показник нормується і для
вітчизняного палива при його постачанні на експорт. У США прийнято цетановий індекс ЦІ
(Cetane Index), який розраховується на основі густини при 15°С і температури перегону. Варто
мати на увазі, що всі розрахункові методи не дадуть правильних результатів для палив із
присадками, що підвищують ЦЧ.
Характер процесу горіння в камері згоряння двигуна багато в чому визначається
фракційним складом палива, що характеризує його випаровуваність. На згоряння палива більш
легкого фракційного складу потрібно менше повітря, за рахунок зменшення часу, необхідного
для утворення паливно-повітряної суміші. При цьому процеси сумішоутворення протікає більш
повно. Вплив фракційного складу палива на роботу двигунів з різним сумішоутворенням не є
однаковим. Двигуни з передкамерним та вихровим сумішоутворенням менш чутливі до
фракційного складу в порівнянні з двигунами з безпосереднім впорскуванням. Наявність
нагрітих до високих температур стінок передкамери забезпечує більш сприятливі умови для
сумішоутворення. Надмірне полегшення фракційного складу може призвести до підвищення
жорсткості роботи двигуна.
В'язкість і густина палива багато в чому визначають процеси випаровування та
сумішоутворення в дизелях. З їх збільшенням росте діаметр крапель і погіршуються умови
згоряння, внаслідок чого збільшуються втрати палива та димність відпрацьованих газів.
В'язкість палива впливає на наповнення і витікання палива через зазори плунжерних пар.
При роботі на малов'язкому паливі збільшується знос деталей паливних насосів, що вимагає
застосування в їхньому складі протизносних присадок. В'язкість палива залежить від його
вуглеводневого складу, у зв'язку з чим варіюється в широких межах. У цілому густина ДП при
15єС ρ = 820ч860 кг/м3; кінематична в’язкість при 40єС ν = 2ч4,5·106м2/с.
Молярна маса ДП μ = 180ч200 кг/кмоль.
Низькотемпературні властивості палива оцінюються показниками температури
застигання, помутніння та граничної температури фільтрівності.
Температурою застигання визначають умови складського зберігання палива. Температури
помутніння та межі фільтрованості визначають умови застосування палива у технічних виробах.
Ступінь чистоти дизельного палива визначає ефективність і надійність роботи паливної
апаратури. Частки розміром більш 4 мкм викликають підвищений знос плунжерних пар.
Чистоту палива оцінюють коефіцієнтом фільтрованості, що представляє собою
відношення часу фільтрування через фільтр при атмосферному тиску десятої порції палива, що
фільтрується, до першої. На фільтрованість палива впливає наявність води, механічних домішок,
смолистих речовин, мила нафтенових кислот.
Сірчисті з'єднання, неграничні вуглеводні та метали (ванадій, натрій) впливають на
процеси нагароутворення в дизелях, що є причиною підвищеного зносу та корозії. Їхній вміст у
паливі регламентовано. Вміст сірки прямо визначає рівень шкідливих складових у ВГ двигуна. Зі
зменшенням вмісту сірки до рівня 0,035% і нижче (екологічно чисті дизельні палива)
змащувальні властивості палива знижуються, а їхній рівень регламентується показником "пляма
зносу" на машині тертя. Тому в малосірчисте паливо вводяться протизносні присадки. У країнах
ЄС з 1 січня 2005 р. заборонено використання ДП зі змістом сірки більше 0,001%.
Ступінь пожежної безпеки визначається температурою спалахування палива. У
пожежонебезпечних умовах, коли двигун встановлений у закритому приміщенні, застосовуються
палива з підвищеною температурою спалахування.
ГОСТ 305-82 передбачає виробництво палива для дизелів загального призначення з
температурою спалахування не нижче 40°С, для суднових і тепловозних двигунів, гірських
машин із температурою спалахування не нижче 62°С, що досягається підвищенням температури
початку кипіння палива. Таке підвищення температури початку кипіння є причиною зниження
виходу дизельного палива при тій самій кількості сировини. Тому паливо з підвищеною
температурою спалахування повинне застосовуватися строго за призначенням.
Нафтові компанії Росії виробляють дизельне паливо за ГОСТ 305-82 та ТУ підприємств
(таблиця 2.4). За ГОСТ 305-82 виробляється три марки дизельного палива: Л – літнє, для
застосування при температурах навколишнього повітря вище 0°С (ЦЧ=47ч51), З – зимове двох
видів, для застосування відповідно при температурах до мінус 20°С (температура застигання
мінус 25єС) (ЦЧ=47ч51) та мінус 30°С (температура застигання мінус 35°С) (ЦЧ=40ч42) і марки
А – арктичне, для застосування при температурах до мінус 50єС (ЦЧ=38ч40). Вміст сірки в
дизельному паливі марок Л и З не перевищує 0,2% (вид 1) і 0,5% (вид 2), а в арктичному – 0,2 і
0,4%.
Відповідно до ГОСТ 305-82, прийняте наступне умовне позначення дизельного палива:
літнє паливо замовляють з урахуванням вмісту сірки і температури спалаху (Л-0,2-62), зимове - з
урахуванням вмісту сірки і температури застигання (3-0,2-мінус 35). В умовне позначення
арктичного палива входить тільки вміст сірки: А-0,2.
Дизельне експортне паливо (ТУ 38.401-58-110-94) – виробляють для поставок на експорт.
Для оцінки його якості на вимогу замовників визначають дизельний індекс (а не цетанове
число). Крім того, замість визначення змісту води й коефіцієнта фільтрованості експрес-методом
установлюють прозорість палива при температурі 10°С.
Зимові дизельні палива з депресорними присадками марки ДЗп за ТУ 38.101889-81
виробляють з 1981 р. Для застосування в районах з холодним кліматом при температурах -25ч-
45 °С виробляють палива за ТУ 38.401-58-36-92. Відповідно до технічних умов одержують дві
марки палива: ДЗп-15/-25 (базове дизельне паливо з температурою помутніння -15 °С, товарне -
із граничною температурою фільтрованості -25 °С) і арктичне дизельне паливо ДАп-35/-45
(базове паливо з температурою помутніння -35 °С, товарне – із граничною температурою
фільтрованості -45 °С).
Екологічно чисте дизельне паливо випускають за ТУ 38.1011348-03. Технічні умови
передбачають випуск літнього (ДЛЭЧ) і зимового (ДЗЭЧ) дизельного палива. Екологічно чисті
палива виробляють гідроочищенням дизельного палива, допускається використання в сировину
гідроочищення дистилятних фракцій вторинних процесів.
Міське дизельне паливо (ТУ 38.401-58-170-96) призначено для використання у м. Москва.
Основна відмінність міського дизельного палива від екологічно чистого – поліпшена якість
завдяки використанню присадок (влітку – антидимної, взимку – антидимної й депресорної).
Добавка присадок у міське дизельне паливо знижує димність і токсичність відпрацьованих газів
дизелів на 30-50 %. Депресорні присадки, що поліпшують низькотемпературні властивості
палива, являють собою, в основному, сополімери етилену з вінілацетатом закордонного
виробництва.
В Україні дизельне паливо виробляють за ДСТУ 3868-99. Європейський стандарт EN 590
діє у країнах Європейського економічного співтовариства з 1996 р. Стандарт передбачає випуск
дизельних палив для різних кліматичних регіонів. Загальними для дизельних палив є вимоги
стосовно температури спалаху – не нижче 55 °С, коксованості 10%-ного залишку – не більше
0,30 %, зольності – не більше 0,01 %, змісту води – не більше 200 ррm, механічних домішок – не
більше 24 ррm, корозії мідної пластинки – клас 1, стійкості до окислювання – не більше 25 м
осаду/м3. У Росії з 2006 року вводиться у дію ГОСТ Р 52368-2005, що є повним аналогом
стандарту EN-590:2004. У США діє стандарт ASTM D975.
Таблиця 2.4. Європейські та російські вимоги до дизельних палив
ТУ 0251-
ТУ 38.
018-
Найменування
EN 590
ГОСТ 305-82 ТУ 38.1011348- 101889- ТУ 38.401-58-36-92 00044434-
показників
ЛУКОЙЛ
EN 590
2000 р. 2005 р.
(Euro3) (Euro4) 2010 р. Л З
А ДЛЭЧ-В ЛЗЭЧ-В ДЗп ДЗп-
15/25
ДЗп-
25/35 Л
Цетанове число 51 51-55 55 45 45 45
45 45,29
Густина при 820-
не нормується,
не нормується,
15єС, кг/м3
845820820
визначається
обов'язково
визначається
обов'язково
820-845
Густина при
20єС, кг/м3
Поліциклічні
ароматичні УВ,
11 менше
860 840 830 860
- - - -
840 860 860 840 850,4
- не нормується -
%
Вміст сірки,
ppm
-вид 1
-вид 2
Маслянистість,
(0,035
%)
(0,005
%)
(0,003 2000 2000 2000 350/500 350/500 350/500 2000 2000 1116 350
%)
5000 5000 4000 1000 1000 1000 5000 5000 2625
діаметр плями
зносу при
600С, мкм
460 430 360
не нормується