Прокачиваемость горючего в дизельных двигателях

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:

• конструктивные: размеры и форма каналов элементов системы (трубопроводов, насосов, регулирующих устройств, фильтров и форсунок), применяемые материалы, состояние обработки стенок, структура сопряжений;
• условия осуществления подачи: количество подаваемого горючего, скорость движения, продолжительность отдельных циклов, температура, давление, влажность и загрязненность воздуха;
• свойства горючего — прокачиваемость, характеризуемая вязкостью, упругостью паров, гигроскопичностью, способностью к кристаллизации и застыванию, способностью удерживать во взвешенном состоянии частицы различных загрязнений, поверхностным натяжением, плотностью.

Основными причинами нарушения подачи и перекачки являются:

• снижение подачи топливных насосов;
• увеличение гидравлических сопротивлений в трубопроводах и в узких каналах регулирующих устройств;
• забивка фильтров и некоторых каналов в системах питания.

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 τ_сд между двумя прямолинейно движущимися ее слоями пропорционально отнесенному к единице длины l изменению скорости u по нормали к направлению движения:

Коэффициент μ_г называется коэффициентом динамической вязкости. Отношение:

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

где:

• A — величина, постоянная для каждого горючего.

Изменение вязкости углеводородных смесей от давления выражается зависимостью:

где:

• k = A + Bμ_г.

Для керосино-газойлевых дистиллятов нефти:

• A = 1,4·10^-3,
• B = 1,56·10^-3.

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

• н-алканы
• изо-алканы,
• цикланы,
• ароматические углеводороды.

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.

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:

• ν_20° = 0,6 ÷ 0,8 мм²/сСт.

Для реактивных топлив:

• ν_20° = 1,3 ÷ 4,5 мм²/сСт,

для дизельных топлив:

• ν_20° = 1,5 ÷ 8,0 мм²/сСт.

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

В определенных условиях, например при низкой температуре, сильном загрязнении органическими и неорганическими веществами, горючее не обладает свойствами ньютоновой жидкости. Кривая, выражающая зависимость между напряжением τ_сд 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 w_кр – количество вещества, переходящего в твердую фазу в единицу времени в единице объема, – зависит от скорости зарождения центров кристаллизации w_{ц. к} и скорости роста кристаллов w_{р. к}. Время полной кристаллизации τ_кр пропорционально числу центров, зарождающихся в единицу времени в единице объема w_{ц. к} и пути, проходимого в единицу времени гранью кристаллов в направлении роста w_{р. к}:

На скорость кристаллизации влияет следующее:

• способность горючего к кристаллизации, зависящая от наличия поверхностно-активных веществ и различного рода примесей, количества легкокристаллизующихся компонентов, их растворимости в горючем, температуры и теплоты плавления, вязкости, поверхностного натяжения и плотности горючего;
• условия кристаллизации – температура, давление, турбулентность среды;
• конструктивные факторы – форма, размеры, материал системы, в которой развивается процесс.

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

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).

Наиболее высокие температуры кристаллизации имеют углеводороды с симметричным строением молекул.

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).

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

где:

• C_max – максимально возможное содержание воды в горючем при данной температуре;
• p и p_S – соответственно парциальное давление паров и давление насыщенных паров воды при той же температуре;
• T – температура горючего.

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

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:

• попадание пыли и влаги из окружающей среды;
• коррозия внутренних поверхностей средств хранения и транспортировки, систем подачи и перекачки;
• накопление продуктов окисления и термоокислительных превращений при хранении, транспортировке и применении;
• разрушение уплотнительных материалов и антикоррозионных покрытий;
• попадание остатков загрязненного горючего при плохой зачистке средств хранения и транспортирования;
• производственные и технологические загрязнения во время эксплуатации, сборки и ремонта аппаратов, средств хранения, транспортировки систем подачи и перекачки.

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:

• вязкость,
• поверхностное натяжение,
• плотность,
• склонность к окислительным и термоокис­лительным превращениям, гигроскопичность;

б внешние условия:

• температура среды и горючего,
• содержание в газовой среде и жидкой фазе кислорода и воды,
• материал агрегатов систем подачи и перекачки,
• средств хранения и транспортировки.

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:

• Fe,
• Na,
• Ca,
• Al,
• Si,
• Mg,
• Cu,
• Mn,
• Ni,
• Zn.

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:

• вязкость,
• способность к кристаллизации и застыванию,
• гигроскопичность и загрязняемость.

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:

• полимеры и сополимеры,
• гетероорганические 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).

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).

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

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

• первый – спирты, гликоли, амины, формамиды и их производные,
• второй – поверхностно-активные присадки.

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:

• этилен-гликольметил и этилцеллозольв CH₃OCH₂CH₂OH, C₂H₅OCH₂CH₂OH и производные аминов (табл. 6).

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.