Содержание [скрыть]
Работа дизеля во многом зависит от качества сгорания топливовоздушной смеси. В первую очередь от момента воспламенения топливного заряда. Распыленное под огромным давлением на мельчайшие капли дизельное горючее зажигается разогретым до температуры в 300-400оС кислородом воздуха.
Способность реагировать с воспламенением смеси характеризует цетановое число дизельного топлива. Его еще можно условно сравнить с октановой характеристикой бензина, но в обратном смысле. Октановое число показывает высокую стойкость к преждевременному воспламенению, цетановое говорит о способности соляра самовоспламеняться. По сути, это условная величина качества, полученная при моторных испытаниях горения дизтоплива.
Высокое цетановое число обеспечивает в работе:
- мягкий, малошумный режим работы;
- прекрасные тяговые параметры дизеля;
- полное сгорание смеси без перегрева мотора из-за догорания остатков в конце цикла;
- минимальное изнашивание деталей цилиндро-поршневой группы.
Как получают цетановое число
Цетановое число дизельного топлива показывает его способность воспламеняться и сгорать в дизеле самым оптимальным способом. Основой для определения качества служат характеристики горения высшего парафина С16Н34 – цетана. Стойкость этого соединения к преждевременному воспламенению приняли за 100 баллов, стойкость его антагониста метилнафталина определили, как нулевую.
По аналогии с процедурой получения октанового числа бензина, смешивая эти два соединения, получали ряд эталонных составов с точным показателем цетанового числа. Для его определения проверяемое дизтопливо используют в специальной одноцилиндровой установке для определения цетанового числа. По сути, это модифицированный дизельный двигатель, позволяющий менять ряд условий работы, в том числе степень сжатия топливовоздушной смеси. Полученные задержки времени воспламенения пробы топлива в нескольких точках камеры сгорания двигателя сравнивают с характеристиками эталонных составов и устанавливают ближайшее соответствующее цетановое число.
В особо ответственных случаях в качестве прибора для определения цетанового числа дизельного топлива используют устройство спектрального анализа, позволяющее установить химический состав горючего и рассчитать цетановое число по справочным значениям химических соединений.
От чего зависит
Дизельное горючее можно представить, как «сборную солянку» из различных углеводородов. Большей частью в составе представлены:
- парафиновые углеводороды С10-С16 с прямой молекулой, а также их изомеры;
- ароматические углеводороды;
- непредельные соединения – олефиновые углеводороды с количеством атомов в молекуле от 8 до 13;
- нафтеновые углеводороды.
Специфика производства дизтоплива во многом зависит от состава исходного сырья – нефти. Светлые сорта сырой нефти дают выход с высоким содержанием легких парафинов и высоким цетановым показателем. Тяжелая нефть требует глубокой переработки с выделением изомеров парафиновых углеводородов. В итоге высокое качество горючего требует дополнительных затрат.
Первая категория соединений составляет большую часть химсостава. Наличие нафтеновых углеводородов в дизельном топливе тоже благоприятно сказывается на его цетановом показателе. Эти две категории наиболее желанны для повышения качества соляра.
Непредельные углеводороды не так желательны в топливе. Во-первых, это ценное сырье для нефтехимической промышленности. Во-вторых, из-за высокой реакционной способности олефины самопроизвольно полимеризуются в тяжелые смолистые и вязкие осадки, способные забивать фильтры и засорять форсунки дизелей.
Ароматические соединения при всех положительных факторах стараются удалять из дизельного топлива по следующим причинам:
- Низкое содержание водорода и высокая молекулярная масса дают неполное сгорание и образование большого количества канцерогенных веществ. Отдельные ароматические углеводороды, такие как бензол и толуол, вообще являются ядами и канцерогенами. При работе на переходных режимах содержание ароматики в выхлопных газах резко повышается, поэтому требует специальных защитных систем дожигания в катализаторах.
- Поглощение в больших количествах влаги из насыщенного водяными парами воздуха. Ее наличие в горючем способствует образованию ледяных пробок при низких температурах окружающей среды. Кроме того, вода отрицательно влияет на условия работы форсунок.
Высокие значения цетанового индекса не всегда положительно влияют на качество сгорания воздушно-топливной смеси. На переходных режимах работы, например, в условиях непрогретого двигателя, при очень низких температурах воздуха или постоянных, резких изменениях оборотов двигателя горючее с высоким цетановым индексом сгорает не полностью, что может вызвать проблемы с поршневыми кольцами и распылительными отверстиями форсунок.
Наиболее оптимальными характеристиками дизельного топлива, в том числе цетанового показателя, на сегодняшний день признано топливо по стандартам ЕВРО-5. С 2016 г. в РФ все импортированное дизельное топливо должно соответствовать пятому стандарту, а именно:
- цетановое число – 51;
- серы – не более 10 мг/кг;
- ароматических соединений – не более 11%
- воды - не более 200 мг/кг;
- зольность – не более 0,01% от массы.
Повышение цетанового числа
Качество дизеля меняется постоянно по объективным причинам. Во-первых, дизельное горючее как смесь углеводородов, способно расслаиваться и выделяться в различные, плохо смешивающиеся фракции. Увеличение содержания воды, особенно в период дождей, также снижает класс соляра.
В дизельное топливо в обязательном порядке добавляются присадки и соединения, стабилизирующие свойства дизельного топлива, главным образом повышая его цетановое число.
Повышение цетанового числа дизельного топлива возможно с помощью глубокой переработки исходного топлива либо внесением в его состав специальных присадок и добавок.
Глубокая переработка тяжелых парафинов дизтоплива улучшает цетановое число, но ведет к небольшим потерям исходного количества сырья. Это наиболее сложный и эффективный путь повышения сортности топлива.
Второе направление изменения цетанового числа – это использование химических соединений, улучшающих и стабилизирующих процесс воспламенения. К таким относятся циклогексилнитрат, 2-этилгексилнитрат, перекись ацетила. Для эффективного увеличения значения цетанового числа на 5-10 ед. требуется внесение присадок, примерно 1,5% от массы топлива. Некоторые из указанных веществ являются нестойкими соединениями, поэтому зачастую требуются специальные стабилизаторы хранения.
Необычные варианты повышения качества дизельного горючего
Кроме проверенных временем химических и технологических методик повышения цетановой характеристики дизтоплива, предложены и испытаны на практике две нестандартные системы, способные существенно улучшать качество горения горючего.
Конверсионная схема
В этой системе часть соляра в смеси с водой с помощью тепла выхлопных газов нагревается в специальном баке до температуры разложения на водород и СО. С помощью газового регулятора полученные газы просто впрыскиваются в воздушный коллектор дизеля. Водород, имеющий небольшое цетановое число, в смеси с парами дизельного горючего улучшает его цетановые характеристики минимум на 10-15% и снижает общий расход топлива на 15-20%.
Применение диметилового эфира
В обычных условиях диметиловый эфир представляет собой газ, обладающий показателем выше 70. Небольшая добавка в воздушный коллектор дизеля способна исключить сажеобразование и несгорание соляра в переходных процессах работы мотора. Примерный расход эфира составляет 5% от массы сгоревшего дизельного горючего.
Дополнительно информацию о цетановом числе можно найти на видео:
