Materiałoznawstwo

Uniwersytet Łódzki

dr Leszek Margielewski

Paliwo diesla – charakterystyka

●

Paliwo Diesla to mieszanina węglowodorów parafinowych, naftenowych,
aromatycznych oraz ich pochodnych o średniej masie cząsteczkowej od 110
do 230 atomowych jednostek masy, wrząca w zakresie temperatur od
170÷200 do około 370°C.

●

Jest ono komponowane z frakcji pozyskiwanych:

–

bezpośrednio z destylacji atmosferycznej ropy naftowej,

–

z destylacji próżniowej (tzw. próżniowy olej napędowy) oraz

–

z procesów rozkładowych (krakowanie katalityczne).

●

Skład bazowy jest uzupełniany dodatkami o różnym przeznaczeniu.

Skład frakcji oleju napędowego z ropy

romaszkińskiej

W

ĘGLOWODORY

Z

AWARTOŚĆ

[%

WAGOWY

]

P

ARAFINOWE

40.6

N

AFTENOWE JEDNOPIERŚCIENIOWE

13.6

N

AFTENOWE DWUPIERŚCIENIOWE

9.7

N

AFTENOWE TRÓJPIERŚCIENIOWE

2.7

A

LKILOBENZENY

14.7

I

NDANY I TETRALINY

6.0

I

NDANY I DIHYDRONAFTALENY

1.9

N

AFTALENY

8.7

A

CENAFTENY I DIFENYLE

1.0

A

CENAFTENY I FLUORENY

0.4

A

ROMATYCZNE TRÓJPIERŚCIENIOWE

0.7

ACENAFTEN C

12

H

10

TETRALINA C

10

H

12

FLUOREN C

13

H

10

INDAN C

9

H

10

Własności fizyczne olejów napędowych

N

AZWA I WŁASNOŚCI

J

EDNOSTKA

W

ARTOŚCI

T

EMPERATURA ZAPŁONU

(

Z OBCEGO ŹRÓDŁA

)

°C

35 – 80

T

EMPERATURA KRZEPNIĘCIA

°C

< –5

R

OZPUSZCZALNOŚĆ WODY

kg/m

3

0.06

R

OZPUSZCZALNOŚĆ TLENU

m

3

/kg

(3.3–3.5) ×10

–6

N

APIĘCIE POWIERZCHNIOWE

N/m

30×10

–2

W

ZGLĘDNA PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA

1.8–2.1

J

EDNOSTKOWA OPORNOŚĆ ELEKTRYCZNA

Ω

×m

3.3×10

10

J

EDNOSTKOWA POJEMNOŚĆ CIEPLNA

kJ/kg×°C

1.9–2.6

T

EMPERATUROWY WSPÓŁCZYNNIK ROZSZERZALNOŚCI

OBJĘTOŚCIOWEJ

°C

–1

0.012

C

IEPŁO PAROWANIA

kJ/kg

234–270

Specyfikacje oleju napędowego (ochrona środowiska) obowiązujące od 1 stycznia 2004.
Dyrektywa 2003/17/WE

Parametr

Jednostka

Min.

Maks.

Liczba cetanowa

 

51,0

-

Gęstość w 15 °C

-

845,0

Destylacja:
- 95 % (v/v) destyluje do temperatury

°C

-

360,0

% (m/m)

-

11,0

Zawartość siarki

mg/kg

-

Zawartość siarki

mg/kg

-

kg/m

3

Zawartość wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych

50,0

(350,0)

10,0

(2009)

Specyfikacje oleju napędowego PN-EN ISO 4259:2002

Parametr; PN-EN ISO 4259:2002

Jednostka

Zakresy

minimum

maksimum

Liczba cetanowa

 

51

–

Indeks cetanowy

 

46

–

Gęstość w temperaturze 15°C

820

845

%(m/m)

–

11

Zawartość siarki

mg/kg

–

Temperatura zapłonu

°C

powyżej 55

-

%(m/m)

–

0,3

Pozostałość po spopieleniu

%(m/m)

–

0,01

Zawartość wody

mg/kg

–

200

Zawartość zanieczyszczeń

mg/kg

–

24

Badanie działania korodującego na miedź (3 h, 50°C)

klasa

klasa 1

Odporność na utlenianie

–

25

–

460

Lepkość w temperaturze 40°C

2

4,5

Skład frakcyjny:

 

 

 

- do 250°C destyluje,

%(V/V)

–

< 65

- do 350°C destyluje,

%(V/V)

85

–

- 95 %(V/V) destyluje do temperatury

°C

–

360

Estry metylowe kwasów tłuszczowych (FAME)

%(V/V)

–

5

Temperatura zablokowania zimnego filtru, CFPP

°C

–

kg/m

3

Zawartość wielopierścieniowych węglowodorów
aromatycznych

50; 10

(od 2009)

Pozostałość po koksowaniu (jeżeli nie stosowano dodatków
podwyższających liczbę cetanową) (z 10 % pozostałości
destylacyjnej)

g/m

3

Smarność, skorygowana średnica śladu zużycia (WS 1,4) w
temperaturze 60°C

µm

mm

2

/s

0

A

-10

B

-20

C

A – Dla okresu letniego trwającego od dnia 1 maja do dnia 30 września. B – Dla okresu przejściowego trwającego od dnia 1 marca do dnia 30 kwietnia oraz od dnia 1
października do dnia 31 października. C – Dla okresu zimowego trwającego od dnia 1 listopada do końca lutego.

Zdolność olejów napędowych do samozapłonu i

spalania

●

Warunkiem samozapłonu wtryskiwanego paliwa do cylindra silnika
wysokoprężnego (ZS) jest, aby temperatura sprężonego powietrza w
cylindrze nie była niższa od temperatury samozapłonu paliwa (500 do
550°C).

●

Zakładając, że samozapłon wtryskiwanego paliwa będzie następował z
bardzo małym opóźnieniem (paliwo o wysokiej liczbie cetanowej LC),
szybkość narastania ciśnienia dp/dφ będzie zależała jedynie od szybkości
dostarczania paliwa. Przy takim spalaniu silnik pracował będzie miękko.

●

W przypadku paliwa o długim okresie opóźnienia zapłonu (niska LC)
samozapłon może nastąpić dopiero wtedy, gdy cała ilość paliwa została już
wtryśnięta do cylindrów.
Zapalenie się tak dużej masy paliwa spowoduje gwałtowny przyrost
ciśnienia, czego wynikiem będzie twarde spalanie.

●

Duże szybkości narastania ciśnienia są niekorzystne ze względu na
nadmierne obciążenia mechaniczne układu korbowego silnika.

Liczba cetanowa parafin

0

20

40

60

80

100

120

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

Liczba atomów węgla

L

ic

zb

a

c

e

ta

n

o

w

a

Liczba cetanowa n-parafin

Liczba cetanowa monoalkiloparafin

Liczba cetanowa dialkiloparafin

Najmniejszą odporność na utlenianie, a więc najlepsze własności zapłonowe, mają
węglowodory parafinowe. Najbardziej odporne są węglowodory aromatyczne. Olefiny i
nafteny posiadają własności samozapłonowe pośrednie

Liczba cetanowa naftenów i aromatów

Węglowodory aromatyczne posiadają najniższe liczby cetanowe ulegające poprawie
przez wprowadzenie długiego prostego łańcucha parafinowego.
Obecność dwóch pierścieni znacznie pogarsza właściwości eksploatacyjne paliwa.
Liczby cetanowe naftenów mieszczą się pomiędzy 70, a 30.

0

20

40

60

80

100

120

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

Liczba atomów węgla

L

ic

zb

a

ce

ta

n

o

w

a

Liczba cetanowa n-parafin

Liczba cetanowa naftenów

Liczba cetanowa dekalin

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Liczba atomów w ęgla

L

ic

zb

a

c

e

ta

n

o

w

a

Liczba cetanowa n-parafin

Liczba cetanowa
m onoalkilobenzenów
Liczba cetanowa 2-fenylo i 2-
fenylo-2-m etyloparafin
Liczba cetanowa silnie
rozgałęzionych parafin
Liczba cetanowa naftalenów

Poprawa liczby cetanowej

●

Obecność parafin w paliwie to:

–

podwyższenie LC

–

małe zmiany lepkości od temperatury

–

podwyższenie temperatury krzepnięcia

P

ODWYŻSZENIE

LC

O

BNIŻENIE

LC

L

INIOWOŚĆ CZĄSTECZKI

I

LOŚĆ ROZGAŁĘZIEŃ

Z

AWARTOŚĆ PARAFIN

C

HARAKTER AROMATYCZNY

W

ZROST MASY CZĄSTECZKOWEJ

S

TABILNOŚĆ OKSYDACYJNA

P

ODATNOŚĆ NA UTLENIANIE

S

UBSTANCJE HAMUJĄCE PROCESY UTLENIANIA

Czynniki wpływające na prawidłowość procesu

spalania

●

Ciśnienie sprężania

●

Opóźnienie zapłonu (LC)

●

Lotność paliwa:

–

Powstawanie sadzy

–

Rozruch niskotemperaturowy

●

Ciśnienie wtrysku

–

Wielkość kropel

–

Zasięg strugi paliwa

●

Lepkość paliwa

–

Wielkość kropel

–

Zasięg strugi paliwa

Właściwości paliwa wpływające na tworzenie

mieszanki

●

Jakość rozpylenia zależy od:

–

konstrukcji rozpylaczy

–

prędkości wypływu paliwa z dyszy

–

ciśnienia

–

stopnia zawirowania powietrza w cylindrze

–

lepkości paliwa

–

napięcia powierzchniowego paliwa

Powstawanie kropel

●

Struga paliwa rozpada się na krople w wyniku oddziaływania

procesów termicznych lub mechanicznych

●

W przypadku rozpadu pod wpływem czynników mechanicznych

problem opisuje bezwymiarowa liczba Webera przyjmująca wartości

od 1,2 do 2,0. Optymalna wartość to 1,25.

●

Liczba Webera wyraża stosunek sił inercjalnych do sił napięcia powierzchniowego.
Siła inercjalna może być wyrażona jako iloczyn masy i przyspieszenia ziemskiego.
Siła napięcia powierzchniowego może być wyrażona jako iloczyn napięcia
powierzchniowego i parametru długości.

We

=

 w

2

d



We – liczba Webera
ρ – gęstość ośrodka
w – prędkość strugi
d – średnica strugi
σ – napięcie powierzchniowe cieczy

Rozpad strugi cieczy

●

Struga cieczy ulega rozpadowi na krople, gdy jej prędkość przekroczy wartości
graniczne, które można wyliczyć ze wzoru na liczbę Webera

w

kr

=



We

kr



d

Ś

REDNICA KROPLI

[

µ

m]

P

ALIWO

10

20

30

50

75

100

150

B

ENZYNA

B70

σ

=2.45×10

–2

N/m

48.8

34.5

28.2

21.8

17.8

15.4

12.6

N

AFTA

T1

σ

=2.85×10

–2

N/m

52.7

37.2

30.4

23.5

19.2

16.7

13.6

O

LEJ NAPĘDOWY

σ

=2.94×10

–2

N/m

53.5

37.8

30.9

23.9

19.5

16.9

13.8

●

Powstałe krople rozpadają się na mniejsze jeżeli ich energia kinetyczna jest większa
od energii napięcia powierzchniowego

Odparowywanie kropel

●

W przypadku rozpadu strugi paliwa pod wpływem czynników

termicznych wielkość kropel zależy od czasu przebywania w ośrodku

oraz stałej szybkości parowania.

●

Zależność może być dana wzorem:

d

2

=d

0

2

−Kt

d – średnica kropli po czasie t [mm]
d

0

– początkowa średnica kropli [mm]

K – stała szybkości parowania [mm

2

/s]

t – czas [s]

R

ODZAJ PALIWA

T

EMPERATURA OTOCZENIA

[°C]

K

[mm

2

/s]

700

0.74

740

0.79

800

0.83

900

0.89

O

LEJ NAPĘDOWY

995

1.08

700

0.82

B

ENZYNA

800

1.00

650

0.59

700

0.75

750

0.85

N

AFTA

795

0.90

M

ETANOL

800

1.19

Czynniki równomiernego zasilania silników

●

Lepkość

–

swobodny przepływ przez filtry, przewody i otwory pomp wtryskowych

●

Zbyt wysoka lepkość to:

–

zwiększone opory przepływu

–

straty energii

–

zmniejszenie mocy silnika

–

przerwy w zasilaniu

●

Zbyt niska lepkość to:

–

nieszczelności pomp wtryskowych

–

wyciekanie paliwa przez otwory wtryskiwaczy i powstawanie nagarów na
wtryskiwaczach

–

wartość optymalna: 1.5 do 2.7°E (6.2 do 17.8cSt), dolna zimą, górna
latem

●

Zawartość parafin

●

Zawartość wody w paliwie

●

Zanieczyszczenia mechaniczne

Lepkość różnych paliw diesla

0

20

40

60

80

100

120

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Olej parafinowy
Olej naftenowo-aromatyczny
Olej typowo letni
Olej typowo zimowy

Czynniki wpływające na powstawanie nagarów

●

Skłonność do powstawania nagarów w czasie eksploatacji oraz ich

ilość jest związana z obecnością w paliwie:

–

węglowodorów nienasyconych

–

wysokocząsteczkowych składników o charakterze smół

–

siarki

–

kwasów organicznych

●

Skłonność paliwa do tworzenia nagarów można określać na

podstawie zawartości w nim żywic oraz pozostałości po koksowaniu

●

Powstające nagary powodują:

–

przegrzewanie się silnika

–

zakoksowywanie otworków rozpylaczy

–

zapiekanie pierścieni tłokowych

Siarka w paliwie

●

Wpływ związków siarki:

–

występowanie korozji

–

powstawanie zwiększonej ilości nagarów

–

zakoksowywanie wtryskiwaczy

–

wzrost zużycia współpracujących części

–

większe ilości osadów na tłokach i tulejach cylindrowych

●

Pierwsze paliwa zawierały nawet kilka procent siarki, jeszcze do

niedawna normą było 350ppm, a obecnie ilość ta jest zmniejszona do

50ppm. Począwszy od 2009 siarka w paliwach nie może występować

w ilości większej niż 10ppm.

R

ODZAJ DODATKU

S

TĘŻENIE MASOWE

[%]

D

EPRESATORY

0.01–2.00

B

IOCYDY

0.05–0.15

P

RZECIWDYMNE

0.25–0.50

Z

WIĘKSZAJĄCE LICZBĘ CETANOWĄ

0.25–2.00

M

YJĄCE

(

DETERGENTY

)

0.001–0.012

P

RZECIWUTLENIAJĄCE

0.002–0.10

A

NTYKOROZYJNE

0.0008–0.005

D

YSPERGUJĄCE

0.025–0.10

D

EAKTYWATORY METALI

0.003–0.005

W

IELOFUNKCYJNE

0.01–0.50

Dodatki do paliw diesla

Depresatory

●

Depresatory to związki organiczne dodawane do olejów smarowych i

paliw płynnych w celu utrzymania ich w stanie ciekłym w

temperaturze niższej od 0°C – obniżają ich temperaturę krzepnięcia o

5÷20°C.

●

Depresatory są to związki aktywne powierzchniowo, które adsorbując

na zarodkach krystalizacji parafin, izolują je przed bezpośrednim

kontaktem, przeciwdziałając tym samym łączeniu się ich w

konstrukcję przestrzenną (krzepnięcie).

●

Jako depresatory mogą być stosowane:

–

bezpopiołowe polarne polimery i kopolimery oraz sole kwasów
sulfonowych.

–

mydła kwasów tłuszczowych (głównie stearyniany glinu, cyny, cynku i
magnezu),

–

polisiarczki sodu i amonu,

–

chlorowane węglowodory parafinowe i produkty ich kondensacji z
węglowodorami aromatycznymi.

Dodatki podwyższające LC

P

RZYROST WARTOŚCI LICZBY CETANOWEJ PRZY

RÓŻNYCH ILOŚCIACH DODATKU

[%

WAG

.]

R

ODZAJ DODATKU

0.5

1.0

2.0

3.0

4.0

N

ADTLENEK ACETYLU

8

12

18

24

30

N

ADTLENEK

t-

BUTYLU

10

15

22

24

27

O

CTAN METYLU

7

11

17

22

27

A

ZOTAN IZOAMYLU

6

11

16

21

24

A

ZOTAN AMYLU

6

11

16

20

24

Mają tendencję do rozkładania się w czasie przechowywania.
Posiadają niską odporność hydrolityczną.

Rodzaje paliw diesla

●

Oleje napędowe z destylacji ropy naftowej

–

●

Oleje napędowe z krakowania termicznego

–

●

Oleje napędowe z krakowania katalitycznego

–

●

Oleje napędowe z uwodornienie węgla i smół

–

●

Oleje napędowe z syntezy tlenku węgla i wodoru

–