Дизельное топливо: состав, области применения, характеристики

На дизельном топливе работают двигатели внутреннего сгорания, в которых горючее самовоспламеняется в цилиндре при сильном сжатии. В отличие от бензиновых моделей, они имеют меньший расход, более высокую мощность и тяговое усилие. Помимо основной задачи дизельное горючее смазывает поверхности трения в насосах и форсунках. Это накладывает дополнительные требования к его составу и характеристикам.

Состав

Дизельное топливо получают прямой перегонкой нефти. Его основу составляет смесь таких углеводородов:

• парафиновых. Вещества представляют собой смесь предельных углеводородов (алканов), у которых атомы углерода между собой связаны одинарной связью, а сама углеродная цепь незамкнута. Их доля по массе в составе нефти достигает половины, а в дизельном топливе — от 10 до 40 %;
• нафтеновых (циклоалканов). Вещества относятся к насыщенным углеводородам с замкнутым циклическим углеродным циклом. Содержание в дизтопливе этих веществ составляет от 20 до 60 %;
• ароматических (арены). Ненасыщенные циклические углеводороды этой группы содержат в своем составе бензольные ядра. Их доля в общем составе дизельного топлива составляет 15–30 %.

Помимо этих веществ в готовом продукте имеются серные соединения, механические примеси, вода и смолы. Окончательные характеристики топлива зависят от температуры перегонки, присадок и характеристик исходного сырья: плотности, содержания серных соединений, водности, района добычи нефти, механических примесей.

Особенности технологии производства

Изготовление дизельного топлива является сложным процессом переработки нефти, который позволяет получить продукт в соответствии с ГОСТ для разных климатических зон и сезонов.

Сырье нагревают до определенной температуры, при кипении выделяют газойлевые и керосиновые фракции, из которых в основном состоит дизельной топливо. Особенностью процесса является установление вполне определенных температурных режимов для перегонки различных марок дизтоплива.

Для получения нужного фракционного состава ГОСТ 305-2013 регламентирует 50 % перегонять при температуре кипения не более 255 °С — для арктического топлива и не выше 280 °С — для летней, зимней и межсезонной марок, а 95 % (по объему) для всех марок перегоняют при температурах не выше 360 °С и не ниже 200 °С.

Технология промышленного производства состоит из нескольких этапов:

1. Очистка нефти от механических примесей, ее обессоливание и обезвоживание.
2. Прямая перегонка нефтепродукта в ректификационных колоннах с выделением дизельной фракции при определенной температуре кипения.
3. Вторичная переработка дизельных фракций для изменения структуры углеводородов, очистки сырья от серы и примесей путем расщепления крупных молекул на установке каталитического крекинга.
4. Компаундирование (смешивание) прямогонных дизельных фракций с веществами вторичных процессов и присадок (моющих, антистатических, противоизносных) с целью получения характеристик топлива, соответствующего требованиям стандарта.

По описанной технологии производят летнее топливо. Чтобы получить зимние марки снижают содержание парафина в топливе путем его нагревания до 42–62 °С и добавления депрессорных присадок.

Сферы применения

Дизельное топливо благодаря современным технологиям производства вышло на новый уровень по экономическим и эксплуатационным характеристикам и требованиям экологической безопасности. Практически весь транспорт использует дизельные двигатели: грузовые автомобили, тепловозы, речные и морские суда, сельскохозяйственная и специальная техника.

Все большую популярность набирают легковые автомобили, работающие на дизельном топливе, благодаря меньшему расходу горючего и большей мощности, чем у бензиновых версий.

Благодаря экономичности такое топливо используется в дизельных электрогенераторах и отопительных котлах.

Характеристики

Цетановое число

Главный параметр — это качество воспламеняемости. Количественно оно определяется временем между впрыском топливовоздушной смеси в камеру сгорания и ее самовоспламенением от сжатия. Этот параметр выражается цетановым числом. Чем ниже задержка воспламенения, тем выше это число. Оптимальное значение показателя находится в пределах 48–51 и характеризует высокое качество горючего. Работа двигателя на таком топливе проявляется в хорошем холодном запуске, полном сгорании топлива и повышении КПД, низком уровне шума, чистых выхлопных газах.

Минимальное цетановое число для всех марок дизельного топлива равно 45. Значения показателя ниже 45 говорит о низком качестве горючего, приводит к детонации и падению мощности двигателя. Превышение параметра проявится в повышенном расходе топлива и дымности выхлопных газов из-за того, что оно не будет полностью сгорать. Цетановое число может быть повышено до нормы за счет присадки, ускоряющей воспламенение топлива.

Кинематическая вязкость

Кинематическая вязкость характеризует сопротивление трения слоев топлива, перемещающихся относительно друг друга. Она определяет такие важные для работы двигателя процессы как прокачиваемость горючего по системам топливоподачи и тонкость его распыла в форсунках. Вязкость зависит от температуры. Чем она выше, тем топливо становится более текучим, оно лучше распыляется, но появляется риск возникновения его утечек через все зазоры и неплотности. Повышается расход и снижается мощность.

Увеличение вязкости приводит к ухудшению качества смесеобразования, появлению нагара, повышению расхода топлива, отработанные газы становятся черными.

Нормируемое значение кинематической вязкости в зависимости от сезона и климатической зоны при температуре 20 °С:

• арктическое 1,5–4 сСт;
• зимнее 1,8–5 сСт;
• летнее и межсезонное 3–6 сСт.

Дизельное топливо с такими значениями вязкости обладает лучшей текучестью, хорошо проходит через фильтры, позволяет получить тонкий распыл в форсунках и обеспечить стабильную подачу насосами высокого давления.

Чем выше значение нормируемой вязкости, тем более чувствительным является топливо к снижению температуры. Летние марки загустевают при – 3 °С, а зимние могут сохранять текучесть до –35 °С.

Плотность

Плотность дизельного топлива зависит от температуры и марки горючего. Чем выше температура воздуха, тем ниже этот параметр и наоборот.

Показатель также определяет количество энергии, выделяемое при сгорании. Чем выше плотность, тем больше выделяется энергии. При этом повышается КПД двигателя.

Таблица 1. Максимальная плотность различных марок дизтоплива при температуре 15 °С

Марка топлива	Арктическое	Зимнее	Межсезонное и летнее
Плотность, кг/м³	833,5	843,4	863,4

Температура вспышки

По числовому значению показателя судят о пожароопасности горючего при его хранении и перевозке. Температуру возникновения вспышки паров определяют в закрытом тигле путем нагревания топлива в сосуде при поднесении открытого огня.

Ее значение для дизельных двигателей общего назначения должно быть не менее 40 °С — для летней и межсезонной марок и выше 30 °С — для зимнего и арктического топлива.

Содержание серы

Массовая доля серы в дизельном топливе строго регламентирована и ограничена величиной 2000 мг/кг, так как вещество опасно для окружающей среды. Сгорание топлива, содержащего повышенную концентрацию этого вещества, приводит к образованию нагара, износу деталей двигателя и коррозионному разрушению.

Однако при слишком низком содержании серы в горючем ухудшаются его смазывающие свойства, что снижает долговечность двигателя. Поэтому при изготовлении дизельного топлива этот недостаток устраняют добавлением присадок.

Зольность

При сгорании топлива образуются механические частицы, которые могут попадать в зазоры между поверхностями трения и вызывать износ деталей двигателя. Поэтому уровень зольности ограничен значением 0,01 %.

Содержание воды

В дизельном топливе всегда содержится растворенная вода. Если концентрация жидкости не превышает установленных норм, то она не создает проблем. Предельное содержание воды для всех марок топлива ограничено значением 200 мг/кг.

Превышение этого показателя приводит к тому, что концентрация жидкости достигает точки насыщения и из растворенного состояния ее избыток переходит в свободное или эмульгированное. В этом случае могут возникнуть серьезные проблемы с нарушением нормальной работы двигателя. Капельки эмульсии могут засорять поры фильтра тонкой очистки и препятствовать подаче топлива.

Свободная вода собирается в нижней части из-за более высокой плотности. Наибольшую опасность представляет образование ледяных пробок в топливопроводах и в фильтрах при снижении температуры воздуха ниже 0 °С, что приводит к блокировке работы двигателя.

Вода приводит к повреждению топливных баков и двигателя из-за повышенного износа. Причина состоит в том, что жидкость имеет более высокую вязкость, а продукты коррозии в виде твердых частиц переносятся топливом по системам. Кроме того, снижению срока службы двигателя способствует эрозия, растрескивание и кавитация, вызванные наличием воды.

Кислотность

При изготовлении дизельного топлива применяют минеральные щелочи и кислоты. Их достаточно сложно удалить полностью из готового продукта, поэтому они могут приводить к коррозионному разрушению двигателя и топливной системы, которая изготавливается из цветных металлов. Содержание вредных веществ ограничивают: кислотность КОН на 100 см³ не должна превышать 5 мг.