В отличие от двигателей с искровым зажиганием в дизелях происходит самовоспламенение топлива при его впрыскивании в камеру сгорания двигателя. В цилиндр двигателя сначала всасывается воздух, который затем сжимается. К моменту подачи топлива в камеру сгорания давление воздуха в ней составляет: в двигателях без наддува 5–6 МПа, а при наддуве 7–10 МПа. Затем в цилиндр через форсунки впрыскивается топливо, которое испаряется и самовоспламеняется. Температура воздуха для надежного самовоспламенения топлива в момент начала подачи топлива должна составлять 500—600 °С. Для достижения такой температуры воздуха степень сжатия должна быть значительно выше, чем у двигателей с искровым зажиганием, и достигать 16–17, а в некоторых случаях и 23 раз.
Благодаря тому, что в дизель засасывается не горючая смесь, а воздух, степень сжатия можно доводить до 23, что гораздо выше, чем в бензиновых двигателях. Вследствие этого температура отработанных газов дизеля (600–700°С) ниже, чем отработанных газов бензиновых собратьев (800–1100°С), поэтому меньше тепла уходит с газами, что делает дизель более экономичным. Высокая степень сжатия, необходимая для воспламенения топлива, является основным фактором, определяющим топливную экономичность дизелей, которая на 30–40 % выше, чем у двигателей с искровым зажиганием.
Дизельные топлива – это нефтяные фракции, выкипающие в пределах 180–360 °С. Применяется дизтопливо в дизелях и газотурбинных судовых энергетических установках. Различают 2 подгруппы: для быстроотходных дизелей с частотой вращения 1000 об/мин и более (дистиллятное маловязкое из керосино-газойлевых фракций прямой перегонки с добавлением не более 20 % продуктов каталитического крекинга) и для средне- (500—1000 об/мин) и малооборотных (ниже 500 об/мин) дизелей (смесь из прямогонных остаточных и среднедистиллятных фракций с добавлением продуктов термокаталитических процессов), так называемое моторное топливо.
В соответствии с физико-химическими свойствами, эксплуатационными характеристиками и условиями применения топлива подразделяют на летнее (Л), межсезонное (Е), зимнее (З) и арктическое (А). Это по ГОСТ 32511-2013 (EN 590:2009) Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия.
К летнему топливу относят топливо сортов А, В, С, D.
К межсезонному топливу относят топливо сортов Е, F.
К зимнему топливу относят топливо классов 0, 1, 2, 3.
К арктическому топливу относят топливо класса 4.
Обозначение дизельного топлива включает следующие группы знаков, расположенных через дефис:
— ДТ — дизельное топливо;
— Л (Е, З, А) — условия применения;
— К2, К3, К4, К5 — экологический класс топлива.
Допускается выпуск в оборот топлива экологических классов:
К3 — содержание серы не более 350 мг/кг;
К4 — содержание серы не более 50 мг/кг;
К5 — содержание серы не более 10 мг/кг.
По технологии из дистиллятов дизельных топлив при получении марок З и А глубоко извлекаются (до 95% от потенциала) нормальные алканы С12-С20 с целью понижения температуры застывания топлива и получения при этом ценного продукта для нефтехимии – жидкого парафина. Это ведет к значительному понижению цетанового числа топлива (до 35-38). Для его корректировки в дизельные топлива вводится присадки, но об этом чуть позже.
Цетановое число и склонность топлива к самовоспламенению.
Воспламенение топлива в дизеле – сложный и многостадийный процесс. Поскольку посторонних источников воспламенения топлива дизель не имеет, то важнейшим показателем дизельного топлива является склонность его к самовоспламенению. Топливо при впрыскивании в камеру сгорания воспламеняется не сразу. Всегда происходит определенная задержка воспламенения. Чем она меньше, тем более плавно идет процесс сгорания, а, следовательно, двигатель испытывает меньшие динамические нагрузки, работает мягко, без стуков. У нас можно купить дизтопливо с доставкой недорого.
Для четкой и однозначной оценки склонности топлива к самовоспламенению стандартизован специальный показатель – цетановое число. Цетановым числом (ЦЧ) называют процентное (по объему) содержание цетана в смеси его с α -метилнафталином при условии, что эта смесь на стандартной установке и стандартном режиме имеет такую же задержку воспламенения, как и исследуемое топливо.
Определение ЦЧ производится на установках ИТ9-ЗМ или ИТД-69 (ГОСТ 3122), основным агрегатом которых является одноцилиндровый предкамерный дизель рабочим объемом 652 см3 и переменной степенью сжатия. В качестве эталонных топлив используют два индивидуальных углеводорода – цетан (нормальный гексадекан C16H34) и α-метилнафталин (ароматический углеводород C11H10). Цетан обладает высокой склонностью к самовоспламенению (имеет малую задержку самовоспламенения), и его воспламеняемость условно принята за 100 ед., α-метилнафталин, наоборот, имеет большую задержку самовоспламенения, его воспламеняемость принята за 0. Составляя смеси цетана и α-метилнафталина в объемных процентах, можно получить топливо с ЦЧ от 0 до 100. ЦЧ определяют методом совпадения вспышек.
ЦЧ современных топлив для быстроходных дизелей должно быть не менее 45, для топлив среднеоборотных и малооборотных дизелей ЦЧ не нормируется.
Значение ЦЧ топлив для быстроходных двигателей важно знать потому, что этот показатель достаточно полно характеризует период задержки воспламенения, от которого зависит скорость нарастания давления в цилиндре, а, следовательно, и жесткость работы дизеля. Внешне это проявляется стуками, повышенной вибрацией, ухудшением топливной экономичности и дымным выпуском.
При малой задержке воспламенения основная масса впрыскиваемого топлива сгорает по мере его поступления в камеру сгорания. В этих условиях процесс сгорания топлива зависит от способа его подачи и, следовательно, может быть управляемым. При большой задержке первые порции поданного топлива не воспламеняются, топливо накапливается в камере сгорания, а потом сразу сгорает в очень короткий промежуток времени, вызывая быстрое повышение давления, которое резко воздействует на поршень. Максимальное тепловыделение при этом начинается в период расширения, в результате чего топливная экономичность ухудшается, происходит неполное сгорание топлива, в отработавших газах появляется дым.
При прочих равных условиях решающим фактором, определяющим склонность топлива к самовоспламенению, является его групповой и индивидуальный химические составы. Наибольшей склонностью к самовоспламенению обладают нормальные алканы, причем, чем больше молекулярная масса такого алкана, тем лучшей самовоспламеняемостью он обладает и, следовательно, более высоким ЦЧ. При одинаковом числе атомов углерода по мере разветвления структуры ЦЧ снижается. В порядке убывания ЦЧ углеводороды располагаются в следующем порядке: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды. Чем выше температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит почти линейный характер, лишь для отдельных фракций цетановое число может снижаться, что объясняется их углеводородным составом.
От ЦЧ зависят и пусковые свойства топлива. Чем оно меньше, тем хуже пусковые свойства. Применение топлив с цетановым чистом менее 40 приводит к жесткой работе двигателя. Чрезмерное увеличение ЦЧ (более 55), несогласованное с его испаряемостью, также нецелесообразно, так как при этом очаги рано воспламенившегося топлива встречаются с еще неиспарившимся топливом, что приводит к вялому, неполному сгоранию и, следовательно, к ухудшению топливной экономичности двигателя при одновременном увеличении дымности отработавших газов.
Ниже приведены данные по влиянию цетанового числа на время запуска двигателя:
Цетановое число… … 53… … 38
Время запуска, с … … 3… …45-50
Для современных дизелей вполне достаточно ЦЧ топлива, равное 45; для быстроходных/высокооборотистых дизелей (с частотой вращения 5000–6000 об/мин) нужны топлива с более высокими ЦЧ. Так европейский стандарт EN 590:2009 регламентирует значение ЦЧ на уровне не ниже 51 для летнего ДТ и 47 для арктического. Как уже упоминалось ранее цетановое число и низкотемпературные свойства топлива это взаимосвязанные величины: чем лучше низкотемпературные свойства топлива, тем ниже его цетановое число.
За рубежом для оценки воспламеняемости дизельных топлив наряду с цетановым числом используют расчетный дизельный индекс. Для расчета дизельного индекса используется номограмма (ASTM D 976).
Дизельный (Цетановый) индекс для конкретного топлива определяется по значениям плотности при 15оС и температуре выкипания 50% топлива. Этот показатель нормируется и для отечественных топлив при их поставке на экспорт.