Требования топливной хартии к дизельному топливу
Цетановое число – это характеристика компрессионного воспламенения топлива. Увеличение цетанового числа уменьшает время проворачивания коленчатого вала двигателя до пуска, а также заметно снижает выбросы вредных веществ, расход топлива и шумность работы.
Цетановый индекс – это цетановое число топлива, которое вычисляется на основе измерения свойств топлива. Цетановое число определяется на испытательном двигателе и отражает влияние топливных присадок, улучшающих цетановое число топлива.
Цетановый индекс и цетановое число по-разному влияют на эксплуатационные характеристики автомобиля. Следовательно, чтобы избежать передозировки топливных присадок, необходимо сохранять минимальную разницу между цетановым индексом и цетановым числом.
Плотность и кинематическая вязкость
Изменения плотности (и кинематической вязкости) топлива приводят к изменению мощности двигателя и, следовательно, к изменению выбросов из двигателя и расхода горючего. Чтобы сделать работу двигателя и выбросы выхлопных газов оптимальными, и минимальное, и максимальное предельные значения для плотности должны быть определены в достаточно узком диапазоне.
Пониженная плотность будет уменьшать выбросы твердых частиц из всех дизельных автомобилей и выбросы NOx из тяжело нагруженных автомобилей. Однако пониженная плотность также будет увеличивать расход топлива и снижать мощность, снимаемую с двигателя. Изменения кинематической вязкости топлива (понижение плотности обычно приводит к снижению вязкости) могут усилить влияние плотности на мощность (но необязательно на расход горючего), особенно в сочетании с топливными насосами распределительного типа.
Серийные дизельные двигатели настраиваются на некоторую стандартную плотность, которая определяет количество впрыскиваемого горючего. Объемное количество впрыска горючего – это параметр управления для систем очистки отработавших газов, таких как система рециркуляции выхлопных газов (РВГ). Следовательно, изменения плотности топлива приводят к неоптимальным уровням РВГ для данной нагрузки и данной скорости в сравнении с заложенными в программу автомобиля и, как следствие, влияют на характеристики выхлопных газов.
Подача горючего и регулировка впрыска также зависят от вязкости топлива. Высокая вязкость может снизить скорость расхода горючего, приводя к недостаточной подаче топлива. Очень высокая вязкость горючего может привести к деформации насоса. Низкая вязкость, с другой стороны, будет увеличивать протечки из насосных элементов и в худшем случае (низкая вязкость плюс высокая температура) может привести к полной потере топлива в результате утечки. Так как на вязкость влияет температура окружающей среды, важно сделать минимальным диапазон между минимальным и максимальным предельным значением вязкости, чтобы сделать работу двигателя оптимальной.
Сера является природным компонентом сырой нефти. Если серу не удалить во время процесса переработки нефти, она будет загрязнять автомобильное топливо. Сера дизельного топлива определяет количество выбросов мелких твердых частиц (ТЧ) в отработавших газах из-за образования сульфатов, как в двигателе, так и позже в атмосфере. Сера может привести к коррозии и износу систем двигателя. Более того, эффективность некоторых систем очистки отработавших газов снижается при увеличении концентрации серы в топливе, в то время как другие системы полностью выходят из строя из-за отравления серой. Влияние серы на выбросы твердых частиц общепризнано и считается существенным.
Фильтры твердых частиц. Дизельные фильтры твердых частиц с непрерывной регенерацией (ДФТЧНР) и каталитические дизельные фильтры твердых частиц (КДФТЧ) представляют собой два подхода к регенерации дизельных фильтров твердых частиц (ДФТЧ). ДФТЧНР осуществляет регенерацию фильтра, непрерывно генерируя NO2 из NO, выброшенного из двигателя, на дизельном окислительном катализаторе, помещенном перед ДФТЧНР. КДФТЧ осуществляет регенерацию ДФТЧ, используя каталитическое покрытие на элементе ДФТЧ, чтобы способствовать окислению собранных ТЧ, используя кислород, имеющийся в дизельном выхлопе.
Ароматические углеводороды – это те молекулы топлива, которые содержат, по крайней мере, одно бензольное кольцо. Содержание ароматических углеводородов в дизельном топливе влияет на температуру сгорания и, следовательно, на выбросы NOx во время сгорания. Полиароматические углеводороды в топливе влияют на образование твердых частиц и выбросы полиароматических углеводородов (ПАУВ) из дизельного двигателя.
Фракционный состав. Кривая фракционного состава дизельного топлива показывает количество топлива, которое выкипит при данной температуре. Содержащиеся в топливе легкие фракции влияют на легкость запуска. Слишком большая доля тяжелых фракций приводит к закоксовыванию и повышенным выбросам сажи, дыма и твердых частиц.
Текучесть при низких температурах. Дизельное топливо может иметь высокое содержание (до 20%) парафинов, которые обладают ограниченной растворимостью в топливе и при достаточном охлаждении выделятся из раствора в виде твердого парафина. Следовательно, достаточная текучесть при низких температурах – это одна из основных характеристик дизельного топлива. Текучесть при низких температурах обычно определяется фракционным составом горючего, углеводородным составом (содержание парафинов, нафтенов, ароматических углеводородов) и использованием топливных присадок.
Технические требования к текучести дизельного топлива при низких температурах должны устанавливаться в соответствии с сезонными и климатическими потребностями региона, в котором используется это топливо. Парафин в автомобильных топливных системах – это потенциальный источник проблем с эксплуатацией. Следовательно, низкотемпературные свойства дизельного топлива определяется испытаниями, связанными с образованием парафина:
Вспенивание. Дизельное топливо имеет склонность к пенообразованию во время заправки топливного бака, что замедляет этот процесс и вызывает риск перелива. Антипенные присадки иногда добавляются в дизельное топливо, причем часто как компонент многофункционального пакета присадок, чтобы ускорить и обеспечить более полное наполнение баков автомобиля. Их использование также снижает вероятность пролива топлива на землю. Кремнийорганические поверхностно-активные присадки эффективны при подавлении склонности к пенообразованию дизельных топлив. Важно, чтобы выбранная антипенная присадка не создавала каких-либо проблем для долгосрочной надежности систем очистки отработавших газов.
Эфиры растительных масел (ЭРМ) все в большей степени используются как дополнительный ресурс дизельного топлива или заменитель дизельного топлива. Это обусловлено усилиями некоторых стран использовать продукцию сельского хозяйства или снизить зависимость от импорта нефтепродуктов. Существуют данные, свидетельствующие о положительном влиянии этих продуктов на экологических показатели. Однако существуют и сомнения по вопросу использования этих эфиров в дизельных топливах высокого качества.
Технические преимущества метилового эфира в основном заключаются в том, что они обеспечивают смазку топливной аппаратуры, которая ухудшается при удалении из дизельного топлива серы, и уменьшают выбросы твердых частиц с отработавшими газами. Недостатки метиловых эфиров следующие:
Учитывая технический эффект эфиров, их содержание ограничивается 5%. Применение эфиров в более высоких концентрациях требует адаптации двигателей к этому виду топлива.
Чистота топливной форсунки. Устойчивая работа двигателя зависит от качества работы топливной форсунки. В случае ее загрязнения будут иметь место повышенные шум, дым и выбросы.
Кончик топливной форсунки подвергается очень жестким воздействиям, так как он находится непосредственно в зоне сгорания, как в форкамерных двигателях, так и в двигателях прямого впрыска. Твердые продукты горения образуют отложения на кончике топливной форсунки, что значительно влияет на работу форсунки. В форкамерных двигателях продукты отложения частично блокируют бесперебойную подачу топлива при частичной нагрузке, и горение может стать более неустойчивым. Аналогично, в двигателях прямого впрыска частичная или полная закупорка одного из тонких распылительных отверстий нарушит распыление топливной струи и работу двигателя.
В случае форкамерных двигателей, закоксовывание неизбежно из-за типа используемой топливной форсунки, и при выборе форсунки необходимо учитывать это. Однако уровень закоксовывания зависит и от качества топлива. Топливные форсунки двигателей прямого впрыска изначально более устойчивы к закоксовыванию, но низкое качество топлива может, в конце концов, привести к закупорке распылительного отверстия.
Решение этой проблемы необходимо искать в использовании моющих присадок в топливе. Большие дозы этих присадок могут частично отмыть уже сильно закоксованную топливную форсунку, а меньшие дозы могут поддерживать приемлемый уровень чистоты форсунки. Многие дистрибьюторы горючего включают такие топливные присадки в товарное дизельное топливо. Чистота топливных форсунок станет еще более важной в недалеком будущем, так как системы впрыска высокого давления все в большей степени используются как в тяжело нагруженных, так и в слабо нагруженных двигателях прямого впрыска.
Смазывающая способность. Насосы дизельного топлива, не имеющие внешних систем смазки, рассчитаны на смазывающие свойства самого дизельного топлива. Процессы очистки, проводимые для удаления серы из дизельного топлива, одновременно уменьшают количество компонентов топлива, которые обеспечивают естественную смазку. Недостаточная смазывающая способность может привести к повышенным выбросам с выхлопными газами, повышенному износу топливного насоса и, в некоторых случаях, аварийным поломкам.
Замечания, касающиеся технических требований к дизельному топливу
Замечание: Наблюдаемые разницы между цетановым индексом и цетановым числом вызваны различиями в углеродно-водородном соотношении, а не в воспламеняемости
Действие и обоснование: Установление максимального предельного углеродно-водородного соотношения может быть рассмотрено в будущем, когда будет иметься больше данных
Замечание: Почему требование к цетановому числу снижается, когда погода становится холодней?
Действие и обоснование: Переработка легких летучих горючих для улучшения работы при холодном старте в экстремальных условиях может негативно повлиять на цетановое число. С практической стороны это выглядит так, что использование более легкого горючего для облегчения холодного старта имеет превосходство над использованием нужного цетанового числа при таких особых условиях
Замечание: Изменения выбросов малы при выражении в г/км при достижении более высоких цетановых чисел
Действие и обоснование: Так как требования к выбросам становятся все более и более строгими, небольшие улучшения становятся и более трудными, и более важными. Численно небольшие улучшения важны и превращаются в тонны загрязняющих веществ, что является весомым в глазах правительственных агентств и для окружающей среды
Замечание: Увеличение цетанового индекса и числа произойдет за счет топливной экономичности и мощности. И потребует от нефтеперерабатывающих заводов устанавливать дополнительное заводское оборудование и снижать смазывающую способность топлива
Действие и обоснование: Дизельные топлива, отвечающие всем требованиям Хартии, требуют оптимизации для соответствия требованиям автомобилей.
Замечание: Цетановый индекс громоздок и не соответствующий
Действие и обоснование: Цетановое число относится к рабочим характеристикам. Цетановый индекс ограничивает использование присадок для улучшения цетанового числа до разумных пределов
Замечание: Датчик плотности или изменения калибровки исключат необходимость в использовании предельных ограничений для плотности, а диапазон разницы 30 кг/м3 необходим для гибкости нефтеперерабатывающих предприятий
Действие и обоснование: Существующие двигатели требуют приведенных здесь предельных ограничений по плотности. Диапазон допустимой плотности приведен в ссылке 3
Замечание: Проблемой являются именно полиароматические углеводороды, а не суммарное содержание ароматических углеводородов
Действие и обоснование: Полиароматические углеводороды действительно являют собой проблему и Хартия рассматривает этот вопрос отдельно. Было показано, что суммарное содержание ароматических углеводородов влияет на выбросы с выхлопными газами, особенно на выбросы NOx из тяжелонагруженных дизельных двигателей
Замечание: Будущие технологии могут снизить влияние топлива так, что будет играть роль только на цетановое число, и слишком рано делать вывод о влиянии полиароматических углеводородов в выбросы полиароматических углеводородов в отработавших газах
Действие и обоснование: Оборот в дизельном парке медленный, а улучшения выбросов требуются сейчас. Если в будущем иные ограничения по цетановому числу станут более подходящими, они будут рассмотрены. Имеется свидетельство того, что полиароматические углеводороды способствуют выбросам твердых частиц и выбросам полиароматических углеводородов в отработавших газах
Замечание: Нет необходимости в раздельных требованиях стандарта по температурам Т90, Т95 и концу кипения
Действие и обоснование: Хартия говорит о том, что только одно из требований к Т90 или Т95 должно быть удовлетворено. Ограничение по концу кипения не позволяет топливу содержать чрезмерно нелетучие соединения, которые увеличивают выбросы твердых частиц
Ответ на замечания, полученные на всемирную топливную хартию – апрель 2000 всемирная топливная хартия – апрель 2000
Замечание: Низкое содержание углерода в горючем приведет к более высокому содержанию углерода в других продуктах нефтепереработки
Действие и обоснование: Хартия концентрирует свое внимание на автомобильных топливах и не делает попытки сократить выбросы СО2 в других отраслях промышленности
Замечание: Коксуемость не имеет значения, если присутствует присадка, улучшающая воспламенение
Действие и обоснование: Этот вопрос будет исследован в будущих редакциях Хартии
Замечание: Добавьте примечание о том, что коксуемость относится к 10% остатку
Действие и обоснование: Нет необходимости. Ограничения по коксуемости применяются ко всему топливу или остатку перегонки
Замечание: Поясните «наименьшую ожидаемую температуру окружающей среды» с тем ограничением, что температура помутнения должна быть не более, чем на 18°F выше ПТФ. Влияние этого требования будет негативным для экономии горючего и смазывающей способности
Действие и обоснование: Примечание (7) поясняет взаимосвязь между температурой помутнения и предельной температурой фильтруемости. Вопросы смазывающей способности рассматриваются в Хартии отдельно
Замечание: Нет необходимости в температуре помутнения или соотношении температуры помутнения и ПТФ
Действие и обоснование: Одна лишь ПТФ не будет полностью описывать характеристики текучести при низких температурах. Температура помутнения необходима для достаточной корреляции между измеренной величиной ПТФ и реальной работоспособностью автомобиля
Замечание: Требования к биологической загрязненности не требуются, так как это – ответственность эксплуатирующих компаний
Действие и обоснование: Целью этой Хартии является установление требований к высококачественному топливу, а это – часть высококачественного топлива
Замечание: Разве ВВПУ – наилучший способ измерения смазывающей способности?
Нет оснований для снижения ВВПУ-показателей. Должны использоваться новые топливные насосы, которые могут работать при низких уровнях содержания серы
Действие и обоснование: ВВПУ – это наилучший из имеющихся сегодня испытательных методов. В то время как новая технология может разрабатываться и исследоваться для применения в будущем, топлива должны быть совместимыми с существующим автомобильным парков, отсюда потребность в технических требованиях к смазывающей способности.