Анализ нагарообразующей способности дизельных топлив

Процесс сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) всегда сопровождается отложениями нагара на головке поршня цилиндра, стенках камеры сгорания, клапанах, свечах зажигания.

Отложения приводят к нарушениям в рабочем процессе двигателя, что ухудшает его технико-экономические и экологические показатели, увеличивает износ деталей двигателя.

Нагар – твердые продукты отложений, образующиеся на поверхности днища поршня, верхней части цилиндра и выпускных клапанах.

Отложения в камере сгорания (КС) образуются из частиц углерода (кокса), в результате неполного сгорания топлива и солей металлов присадок и термического разложения остатков масла. Нагар обладает свойствами катализатора ускорения предпламенных реакций.

Механизм нагарообразования в двигателях до сих пор еще полностью не раскрыт, но ряд положений, характеризующих процесс нагарообразования, получил общее признание. К ним относят следующее:

1. Существование нагара, прежде всего, зависит от температурных условий;

2.Скорость образования нагара на поверхностях деталей наиболее велика в начальный период работы двигателя;

3. При работе двигателя на постоянном режиме рост нагара идет только до определенного предела, а затем прекращается и устанавливается своеобразное равновесие; в дальнейшем в зависимости от режима и условий эксплуатаций двигателя количество нагара может расти, или уменьшаться, или оставаться постоянным.

В КС ДВС развиваются очень высокие температуры, достигающие в момент сгорания топливной смеси 2000 ºС и выше. При такой температуре в присутствии кислорода воздуха и при достаточном времени сгорит любое органическое вещество.

В двигателе в большинстве случаев не хватает ни времени (процесс сгорания протекает в сотые доли секунды), ни кислорода для полного сгорания топлива и проникающего в КС масла. Поэтому в КС всегда имеются условия для образования сажи, коксовых частиц и других продуктов неполного сгорания.

Температура газов в КС не везде одинаково высока. Газы, омывающие стенки КС и днище поршня вблизи стенок, вследствие теплоотдачи имеет более низкую температуру, чем газы, несколько удаленные от стенок. Температура поверхности стенок КС и поршня у различных двигателей находится в пределах примерно от 250 до 400 ºС. Исключение составляют только впускные и выхлопные клапаны, имеющие температуру, значительно превышающие 400 ºС. При таких высоких температурах под действием кислорода воздуха, всегда присутствующего в КС, и каталитического воздействие металлической поверхности топливо и масло, попадая на поверхности в жидком виде, претерпевают глубокие изменения, в результате которых образуются смолистые и углеродистые вещества. Отложения нагара на деталях КС начинается с образования на них лаковых пленок.

Потенциальная способность топлив для быстроходных дизелей к образованию нагара оцениваются показателями химической и термоокислительной стабильности, и прямыми измерениями количества отложений в реальном двигателе.

Химическая стабильность дизельных топлив характеризует окисляемость в зависимости от углеводородного состава и примесей в виде смолистых, сернистых, кислородосодержащих и других соединений, которые при высокотемпературном окислении образуют отложения на горячих поверхностях двигателя.

Термоокислительная стабильность характеризует окисляемость топлива при повышенной температуре с образованием твердой фазы, смолистых веществ и кислых продуктов, как правило, в присутствии катализирующих металлов. Оценивают в статических и динамических условиях.

С утяжелением фракционного состава и повышением плотности дизельных топлив их распыливание и испарение ухудшаются, что ведет к неполному сгоранию и образованию отложений. Слишком тяжелые фракции сгорают неполно и увеличивают отложение нагара в камере сгорания. Поэтому содержание тяжелых фракций в дизельном топливе строго ограничено:

·при температуре 250 °С перегоняется, % об., менее 65;

·при температуре 350 °С перегоняется, % об., не менее 85;

·95% об. перегоняется при температуре, °С, не выше 360.

 В ДТ сернистые соединения также нежелательны, при разгонке нефти с низким содержанием сернистых соединений, получают дизельные топлива с высокой химической стабильностью. Такие топлива долго сохраняют свои качества (более 5 лет хранения). Поэтому содержание серы нормируется для топлива, не более 10,0 мг/кг.

В нефти с содержанием большого количества серы (т.е. со значительным количеством олефинов - непредельных углеводородов и меркаптанов) химическая стабильность ДТ невысокая и оно быстро за короткий срок изменяет свое качество. Среди сернистых соединений сильное влияние на нагарообразование оказывают меркаптаны.

Влияние серы на образование нагара связано с более интенсивным процессом окислительной полимеризации углеводородов в присутствии соединений серы, в том числе продуктов ее сгорания. Скорость окисления зависит от концентрации серы. При увеличении содержания в топливе ароматических углеводородов во всех случаях повышается образование нагара и ухудшает условия сгорания топлив.

Газойлевые фракции прямой перегонки парафинистых нефтей имеют высокие цетановые числа, сгорают в дизеле плавно, без стуков и являются хорошим топливом для быстроходных дизелей.

Фракции же вторичного происхождения, содержащие значительное количество ароматических и олефиновых углеводородов, имеют низкие цетановые числа, сгорают в дизеле со стуком и дают большое отложение нагара на поршнях, клапанах и стенках камеры сгорания двигателя. Поэтому газойли, получаемые при вторичных процессах переработки нефти, в чистом виде в быстроходных дизелях не применяют, их в небольших количествах (до 20 %) добавляют к дизельным топливам прямой перегонки. Содержание полициклических ароматических углеводородов нормируется не более 8,0 % (по массе).

В эксплуатационных условиях наибольший вред приносит присутствие в дизельном топливе смол. Основную часть смол составляют примеси, остающиеся после очистки нефтяных дистиллятов.

 Окислительная стабильность характеризует склонность к окислению и смолообразованию, поэтому нормируется гостом общее количество осадка – не более 25г/м³ .

С повышением содержания в дизельных топливах непредельных углеводородов их стабильность при хранении снижается, а склонность к нагарообразованию возрастает.

Ввиду комплексного характера склонности дизельных топлив к нагарообразованию, для его более полной оценки используются показатели коксуемости и зольности. Коксуемостью называется свойство топлива образовывать отложения при нагреве без доступа воздуха. Продукты коксования (кокс) состоят в основном из углерода и высокомолекулярных соединений. Они отлагаются в виде твердого нароста главным образом на горячих деталях, не контактирующих непосредственно с зоной горения (внутри форсунок, на юбках поршней в области поршневых колец и др.). Коксуемость 10%-ного остатка разгонки²), % масс., не более 0,30% (по массе).

После полного сгорания топлива в воздухе образуется минеральный остаток - зола, вызванный присутствием в топливе различных неорганических примесей. Из-за абразивных свойств золы она не только увеличивает нагар, но и ведет к повышенным износам в двигателе. Поэтому допустимое содержание золы в товарных дизельных топливах - зольность – не более 0,01% [2].

Нагар, образовавшийся в двигателе, ухудшает его характеристики, нарушает нормальный процесс сгорания топлива, ухудшает отвод тепла, снижает мощность двигателя.

Для предотвращения образования нагара необходимо использовать дизельное топливо первичного происхождения. Так же дизельное топливо должно подвергаться очистке от высокомолекулярных смолисто-асфальтовых соединений, ароматических и непредельных углеводородов, сернистых соединений и механических примесей.

Ведение присадок также необходимо для улучшения эксплуатационных свойств дизельного топлива. Основными видами присадок к топливу сохраняющие чистоту топливной системы, очищающие ее от нагара, являются антинагарные, моющие, антиокислительные и депрессорные присадки.

Список литературы:

1.Химмотология горюче-смазочных материалов. Научно-теоретическое издание/ А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин-Санкт-Петербург «НПИКЦ», 2007.– 120-135с.

2.И.Г. Фукс, В.Г. Спиркин, Т.Н. Шабалина. Основы химмотологии. Химмотология в нефтегазовом деле: Учебное пособие. - М.:ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М Губкина, 2004 – 157-161с.

3.Данилов А.М. Применение присадок в топливах для автомобилей: Справ. Изд.–М.: Химия, 2000–ил.–87с.