Сайт нуждается в вашей поддержке!
Категории сайта

Прокачиваемость горючего в дизельных двигателях

Присоединяйтесь к нашему ТГ каналу!

Прокачиваемость горючего – это один из важнейших параметров при выборе топлива для автомобилей и других технических устройств, которые работают на сжигании топлива. Чем лучше прокачиваемость горючего, тем эффективнее и безопаснее будет работать двигатель.

Эта статья будет полезна как для профессионалов в области автотранспорта и энергетики, так и для широкой аудитории, интересующейся вопросами экологии и энергоэффективности.

Прокачиваемость характеризует подвижность горючего, способность обеспечивать определенную скорость движения в системах питания двигателя или средствах транспортировки и заправки. В процессе эксплуатации на надежность систем подачи влияют следующие факторы:

Основными причинами нарушения подачи и перекачки являются:

Эти явления вызывают увеличение вязкости горючего или образование в нем кристаллов льда или углеводородов при понижении температуры, образование паровоздушных пробок при понижении давления или повышении температуры, образование нерастворимых в горючем продуктов (осадков) или накопление загрязнений (механических примесей и продуктов коррозии), а также явление облитерации (заращивание) узких каналов (зазоров), которое приводит к постепенному уменьшению скорости течения горючего в них. В основе явления облитерации лежат процессы межфазового взаимодействия на границе твердого тела и жидкого горючего. Облитерация зависит от гидродинамических особенностей течения, реологических свойств дисперсионной среды, наличия молекул, склонных к адсорбции на поверхности твердого материала. Образование в узких каналах коагуляционных структур связано с коллоидно-химическими свойствами горючего, которые зависят от количества и природы дисперсных частиц и присутствия полярных веществ. Дисперсные частицы имеют разную природу и могут нести электрический заряд того или иного знака. Заряд дисперсной фазы оказывает определенное влияние на формирование сольватной оболочки частицы вследствие своего электростатического взаимодействия с ионами противоположного знака, которые, в свою очередь, вызывают упорядочение ассоциированных с ними полярных молекул.

На прохождение горючего через узкие каналы, поры и щели существенно влияют поверхностное натяжение, плотность, склонность к адсорбции на поверхности твердого материала, способность смачивать поверхность каналов и электризоваться. Для некоторых видов горючего и фильтрующих материалов возможно специфическое физико-химическое взаимодействие, существенным образом изменяющее Техническое обслуживание топливных систем на суднеспособность к фильтрации. Химически активные фильтрующие материалы (силикагель, цеолиты, отбеливающие глины) задерживают не только нерастворимые в горючем осадки, но и растворимые продукты загрязнения. На гидравлическое сопротивление фильтрующего материала оказывает влияние образование в каналах фильтра пузырьков пара и газа, что связано с испаряемостью горючего и способностью растворять газы.

Вязкостные характеристики

Для многих видов горючего в обычных условиях его применения соблюдается зависимость ньютоновых жидкостей: касательное напряжение трения τсд между двумя прямолинейно движущимися ее слоями пропорционально отнесенному к единице длины l изменению скорости u по нормали к направлению движения:

τсд =  μ dudl.

Коэффициент μг называется коэффициентом динамической вязкости. Отношение:

νг = Mгρг

называется коэффициентом кинематической вязкости. Изменение коэффициентов μг и νг в интервалах температуры, в которых данное горючее сохраняет свойства ньютоновой жидкости, описывается зависимостью:

μг (νг)  eAT,

где:

Изменение вязкости углеводородных смесей от давления выражается зависимостью:

μp = μгekp

где:

Для керосино-газойлевых дистиллятов нефти:

Вязкость возрастает с увеличением молекулярной массы, степени разветвленности и компактности структуры молекул горючего. Для углеводородов с одинаковой молекулярной массой вязкость повышается в ряду:

Для всех классов углеводородов с увеличением молекулярной массы вязкость повышается. Наиболее пологую вязкостно-температурную кривую имеют н-алканы, а наиболее крутую – ароматические углеводороды. Влияние строения молекул сложных смесей углеводородов на вязкость и ее изменение с температурой иллюстрируют данные табл. 1.

Таблица 1. Зависимость вязкости от температуры для моноциклических
циклановых и ароматических углеводородов
УглеводородыСреднее число атомов углерода
в алкановых цепях
Кинематическая вязкость, мм2,
при температуре, °С
200-20-60
Циклановые3,2
4,6
6,0
1,3
1,9
3,0
1,7
2,8
5,0
2,7
4,8
10,6
8,9
24,6
135,6
Ароматические3,4
4,8
6,1
1,3
1,7
2,8
1,7
2,5
4,7
2,5
4,8
10,5
11,2
56,8
277,1

Влияние строения молекул на вязкость и ее изменение с температурой при увеличении молекулярной массы становится все более сложным в зависимости от количества колец, длины и строения боковых цепей.

Наименьшие коэффициенты динамической и кинематической вязкости имеют бензины:

Для реактивных топлив:

для дизельных топлив:

Изменение вязкости от температуры для различных групп горючего показывают зависимости на рис. 1.

График зависимости характеристик горючего
Рис. 1 Вязкостно-температурные характеристики ν20° = f (Tг) и ВУ – f (Tг) для различных групп горючего.
1 – авиационный бензин; 2, 3, 5 – керосиновые фракции; 4, 6, 7 – дизельное топливо ДА, зимнее ДЗ и 3, летнее ДЛ и Л; 8, 9, 10, 11, 12 – котельное топливо Ф5, Ф12, 40, 100 и 200

В определенных условиях, например при низкой температуре, сильном загрязнении органическими и неорганическими веществами, горючее не обладает свойствами ньютоновой жидкости. Кривая, выражающая зависимость между напряжением τсд и градиентом скорости сдвига du/dl слоев жидкости, является нелинейной. Вязкость такого горючего не остается постоянной при заданной температуре, а зависит от скорости сдвига, конструктивных особенностей аппаратуры и предварительной обработки (нагревания, перемешивания). Для некоторых горючих вязкость зависит и от продолжительности сдвига. Эти явления наблюдаются при пониженных температурах для дизельного и котельного топлив.

Характеристики кристаллизации и застывания

Понижение температуры приводит к изменению фазового состояния горючего. При этом образуются кристаллическая структура или аморфная пластическая масса. Процесс кристаллизации состоит в том, что в одной или нескольких точках объема образуются центры кристаллизации, которые, возникнув, не разрушаются, а растут за счет окружающего материала. Скорость кристаллизации wкр – количество вещества, переходящего в твердую фазу в единицу времени в единице объема, – зависит от скорости зарождения центров кристаллизации wц. к и скорости роста кристаллов wр. к. Время полной кристаллизации τкр пропорционально числу центров, зарождающихся в единицу времени в единице объема wц. к и пути, проходимого в единицу времени гранью кристаллов в направлении роста wр. к:

τкр = kwц. ка wр. кв. 

На скорость кристаллизации влияет следующее:

Количественный учет этих факторов, особенно для сложных углеводородных смесей и гетероорганических соединений, как и для других суммарных процессов, осуществляется на основе анализа эмпирических зависимостей wкр = f (Фк; Фу; xг), полученных для определенных значений факторов Фк и Фу.

При охлаждении горючего, представляющего собой смесь углеводородов и неуглеводородных примесей, изменение фазового состояния осуществляется при взаимном влиянии многих факторов. Структура и количество выделяющихся кристаллов сильно изменяются в зависимости от состава горючего и условий охлаждения. По мере охлаждения выделяющиеся кристаллы срастаются, образуя сетчатые или ячеистые каркасные структуры. Эти структуры захватывают в свои ячейки некристаллизующиеся углеводороды и компоненты горючего. В результате горючее теряет подвижность. Повышение вязкости способствует связыванию кристаллов и образованию каркасных структур. В некоторых случаях потеря подвижности определяется в основном резким Автоматическое регулирование вязкости судового топливаповышением вязкости. Процесс кристаллизации и застывания сложных смесей протекает в определенном интервале температур, изменяющемся в зависимости от условий охлаждения и особенностей конструкции систем подачи или перекачки.

Температура кристаллизации углеводородов повышается с увеличением молекулярной массы. Однако для различных углеводородов одной и той же молекулярной массы и их смесей температура кристаллизации может изменяться в широких пределах (рис. 2, табл. 2).

График зависимости температуры
Рис. 2 Зависимость температуры кристаллизации Tкр различных классов углеводородов от числа атомов углерода nC в молекуле:
× – алканы; ⚫ – моноциклические цикланы; 〇 – моноциклические ароматические углеводороды; △ – бициклические ароматические углеводороды.
Линиями связаны н-алканы моноциклические и моноароматические углеводороды с неразветвленной боковой цепью

Наиболее высокие температуры кристаллизации имеют углеводороды с симметричным строением молекул.

Таблица 2. Температуры начала кристаллизации и застывания
дизельных топлив различного химического состава
ТопливоТемпература, °CВязкость, сСтСодержание, %
Начало кристаллизациизастыванияпри Tн. крпри Tзастароматических углеводородовалканов
Керосин из сураханской нефти-39-5612261135
Дизельное топливо из сураханской нефти4-710131525
Керосин из ишимбаевской нефти-10-306122850
Дизельное топливо из ишимбаевской нефти0-512153435
Дизельное топливо из краснокамской нефти-5-1412402166 Содержание углерода в алкановых структурах.x
Дизельное топливо Л по ГОСТ 305-73-6-1517403248 Содержание углерода в алкановых структурах.x
Дизельное топливо опытное Новокуйбышевского завода-4-198503749 Содержание углерода в алкановых структурах.x
Дизельное топливо ДА по ГОСТ 4749-73-14-3525601540 Содержание углерода в алкановых структурах.x

Сильно разветвленные алканы, алкилмоноцикланы и ароматические углеводороды, а также гомологи нафталина, содержащие в боковых цепях более двух атомов углерода, не кристаллизуются, а переходят в аморфное состояние. При температурах ниже -60 °С они превращаются в стекловидную массу.

Гигроскопичность

Некоторые вещества, например спирты, способны аккумулировать поглощаемую воду, связывать ее и не выделять самопроизвольно при самых резких изменениях температуры и влажности воздуха. Такая форма гигроскопичности называется необратимой. Углеводороды и их смеси обладают другой формой гигроскопичности – обратимой. Они не только поглощают и растворяют воду, но при изменении температуры и влажности окружающего воздуха выделяют ее. Углеводороды ограниченно растворяют воду. Это объясняется большим различием в строении их молекул. Молекулы воды имеют малый объем, большой дипольный момент и обладают способностью к ассоциации за счет водородных связей. Молекулы углеводородов имеют большой объем, неполярны, обладают небольшим дипольным моментом и неспособны образовывать между собой водородные связи. Наибольшей гигроскопичностью обладают ароматические углеводороды, наименьшей – алканы. С увеличением молекулярной массы растворимость воды в углеводородах уменьшается, но удаление ее из них затрудняется.

С повышением температуры растворимость воды в горючем увеличивается (табл. 3).

Таблица 3. Гигроскопичность углеводородов
УглеводородыРастворимость воды, % при температуре, °C
204050
н-Гептан0,00960,03080,0480
2,2,3-Триметилбутан0,01060,03150,0507
н-Гексадекан0,00690,02090,0332
Циклогексан0,01220,03170,0490
Бензол0,05820,09480,1177
Толуол0,04600,07500,0965
изо-Пропилбензол0,03030,05500,0710

На основании опытных данных установлено, что содержание в горючем воды Cx изменяется в зависимости от влажности воздуха и температуры:

Cx  CmaxppS;
Cx  e BT,

где:

Условия образования кристаллов льда в углеводородном горючем при его охлаждении иллюстрирует рис. 3.

Диаграмма растворения воды
Рис. 3 Изменение содержания растворенной воды в горючем CH2O в зависимости от температуры Tг и скорости охлаждения.
1, 2 – состояния горючего, при которых вода находится в растворенном виде;
а, б, в – состояние, при котором вода выделяется в виде второй фазы в количестве соответственно Cа, Cб и Cв

Если охлаждение горючего осуществляется очень медленно, то вода, растворенная в нем, успевает перейти из жидкости в воздух и не выделится в виде второй фазы. Напротив, при достаточно быстром охлаждении по мере уменьшения растворимости воды в горючем, она, не успевая перейти в воздух, выделяется в виде второй фазы. Этот процесс начинается с образования коллоидной системы, при разрушении которой возникает мелкодисперсная фаза – эмульсия воды в топливе. Если температура горючего ниже нуля градусов, то образуются кристаллы льда. Чем больше воды растворено в горючем и чем выше скорость охлаждения, тем больше образуется кристаллов льда. При постепенном охлаждении, особенно горючего с большим содержанием ароматических углеводородов, возможно переохлаждение и перенасыщение водой. Такие системы неустойчивы и при дальнейшем охлаждении почти одновременно выделяется значительная часть воды из раствора. Форма и размер образующихся в горючем кристаллов льда зависят от условий охлаждения, присутствия микрозагрязнений и механических примесей, которые являются центрами кристаллизации.

Углеводороды горючего, а также продукты окисления и полимеризации ассоциируются с капельками воды. Эти ассоциированные комплексы увеличивают объем кристаллической массы, отлагающейся на фильтрах. Кристаллы льда образуются также в процессе конденсации влаги из воздуха на поверхности холодного горючего.

Загрязненность горючего

Причинами загрязнения горючего являются:

Вид и характер загрязнений зависят от физико-химических процессов, протекающих в горючем. Основными факторами, определяющими характер и степень загрязнения горючего, являются:

а физико-химические свойства:

б внешние условия:

Основными компонентами, из которых образуются загрязнения, являются нерастворимые в горючем органические соединения, вода и минеральные вещества, микроорганизмы. В состав минеральных соединений, попадающих в горючее, входят самые различные элементы. Чаще всего это:

Механизм образования и накопления загрязнений может быть представлен следующей схемой:

а образование коллоидной системы (горючее – частицы загрязнений) в результате попадания частиц загрязнений из окружающей среды и в результате окислительных и термоокислительных процессов;

б разрушение коллоидной системы, вызванное коагуляцией частиц загрязнений.

В зависимости от температуры меняется соотношение скоростей физических и химических процессов образования и состава твердой фазы. При температурах 60-70 °C в осадках большую долю составляют зольные элементы и вода, а при более высоких температурах увеличивается доля сложных гетероорганических соединений.

Присадки для улучшения прокачиваемости

Для улучшения прокачиваемости горючего можно использовать присадки, воздействующие на все рассмотренные характеристики прокачиваемости:

Некоторые из присадок находятся еще в стадии разработки. Например, с целью ускорения и углубления очистки топлив рассматриваются и подбираются коагулирующие присадки, способствующие укрупнению частиц примесей в крупные, легко удаляемые фильтрованием.

В настоящее время наиболее изученными являются присадки, улучшающие низкотемпературные свойства.

В качестве депрессорных присадок, понижающих температуру застывания углеводородного горючего, можно использовать различные высокомолекулярные соединения:

Одной из первых была присадка Парафлоу, представляющая собой продукты взаимодействия нафталина с хлорированным парафином. Депрессорными свойствами обладают природные высокомолекулярные соединения.

Читайте также: Основные характеристики дизельного топлива, влияющие на его качество

Наиболее активны сополимеры этилена с винилацетатом. Важнейшими характеристиками этих присадок являются их молекулярная масса и содержание винилацетатных звеньев (табл. 4).

Таблица 4. Зарубежные депрессорные присадки
Условное название присадкиЭлементарный состав, %Содержание звеньев
винил-ацетата, %
Молекулярная массаОбласть применения
C
H
O
Парадин-20
Парадин-25
73,5
74,1
11,6
11,6
14,9
14,3
41
38
1 800
1 800
Дизельное топливо
Парадин-7077,212,510,3285 400Котельное топливо
A110X
A504X
A804X
80,0
78,3
77,3
13,5
12,7
12,5
6,5
9,0
10,2
19
25
28
5 300
6 100
6 100
Мазут и другие остаточные топлива

Присадки, приведенные в табл. 4, выпускаются в растворе толуола. При введении в концентрации 0,02-0,1 % они снижают температуру застывания топлив на 20-30 °C, причем улучшается фильтруемость топлива при температуре ниже температуры помутнения.

Запатентованы в качестве депрессорных присадок для различных топлив некоторые сополимеры этилена с пропиленом, деценом, дициклопентадиеном и др. С целью лучшей растворимости в топливе молекулярная масса сополимеров должна составлять 2 000-6 000. Предложены в качестве депрессорных присадок алкенилсукцинимиды. Их депрессорное действие может быть усилено введением в топливо сополимера этилена и другого мономера, например винилацетата, пропилена, изо-пропилакрилата.

Эффективность депрессорных присадок зависит как от их строения, так и от состава топлива (табл. 5).

Таблица 5. Эффективность некоторых депрессорных
российских и зарубежных присадок
Топливная композицияТемпература, °C
помутнениязастыванияфильтруемости
(фильтр сетчатый 40 мкм)
Топливо дизельное Л без присадки-10-14-10
Топливо Л:
с 0,5 % АзНИИ-ЦИАТИМ-1
с 0,5 % полиметакрилата Д
с 0,4 % PN540 (фирма “Petronafta”)
-10
-12
-11
-25
-33
-37
-10
-14
-21
Топливо дизельное ДЛ без присадки-22-35-30
Топливо ДЛ:
с 0,5 % АзНИИ-ЦИАТИМ-1
с 0,5 % полиметакрилата Д
с 0,4 % PN540
-24
-25
-22
-70
-72
-44
-46
-52
-40
Топливо дизельное ДС без присадки-10-15-10
Топливо ДС:
с 0,5 % АзНИИ-ЦИАТИМ-1
с 0,5 % полиметакрилата Д
с 0,4 % PN540
-11
-11
-9
-17
-19
-22
-13
-13
-11

Высокоэффективные присадки сополимерного типа позволяют получить хорошие результаты при добавлении их в топливо менее 0,1 % (табл. 5, рис. 4).

График зависимости на температуру застывания
Рис. 4 Влияние массовой доли присадки Спр сополимера этилена с винилацетатом молекулярной массы 5 600 на температуру застывания Tзс c мазутов.
Флотские мазуты.
1 – из сахалинских нефтей цикланового основания; 2 ,3 ,4 – из смеси парафинистых сернистых нефтей.
Топочные мазуты.
5 – из сахалинских нефтей цикланового основания; 6, 7 – из смеси парафинистых сернистых нефтей

С целью предотвращения образования в горючем кристаллов льда и воды при низких температурах предложены присадки двух типов:

Действие присадок первого типа основано на растворении воды и образовании с ней низкозамерзающих смесей. Многие присадки этого типа образуют с водой ассоциаты за счет водородных связей и поэтому удерживают воду в топливе в значительном большем количестве, чем это возможно без присадки.

Из первой группы присадок практический интерес представляют для легких топлив — спирты, а для среднедистиллятных — моноалкиловые эфиры:

Таблица 6. Минимальные концентрации некоторых соединений для предотвращения образования кристаллов льда до температуры минус 40 °C в реактивном топливе типа керосина
СоединениеКонцентрация присадки, %, в топливе при содержании воды, %
0,0050,010,50,1
Спирт метиловый0,120,1250,150,20
Спирт этиловый0,150,2540,2750,325
Ацетон0,51,331,491,70
Метилцеллозольв0,160,260,3160,39
Этилцеллозольв0,180,320,3850,46
Диэтилэтаноламин0,180,3250,390,465
Диэтилоксиэтаноламин0,150,200,2450,285
Триметилтриметилентриамин0,160,280,3450,42
Открыть таблицу в новой вкладке

Поверхностно-активные присадки образуют защитную оболочку на частицах льда, что препятствует их объединению друг с другом. Образующиеся мицеллы имеют в наружной части углеводородные радикалы, а во внутренней части – гидрофильные группы; молекулы воды располагаются внутри мицеллы. Таким образом, присадки второго типа действуют как поверхностно-активные коллоидные растворители, обеспечивающие солюбилизацию воды в углеводородной среде. Поверхностно-активные присадки выполняют одновременно и функции моющих присадок – смывают отложения в системах топливоподачи.

Эффективная концентрация присадок первого типа, предотвращающих образование кристаллов льда, достаточно высока (в бензинах 0,5-2 %, в реактивных топливах 0,1-3 %), а второго типа – значительно ниже и составляет сотые и тысячные доли процента.

Сноски

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Май, 05, 2023 338 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ