Ди́зельное то́пливо, смесь жидких углеводородов, получаемых из керосино-газойлевых фракций прямой перегонки нефти (t_кип 200–350 °C) или в процессах крекинга нефти, а также синтетическим путём и используемых в дизельном двигателе внутреннего сгорания.

Перегонка нефти. Фракционный состав нефти.Перегонка нефти. Фракционный состав нефти.Название произошло от имени немецкого учёного и изобретателя Р. Дизеля, открывшего этот вид топлива в 1892 г. Дизельное топливо иногда называют соляркой, получившей название от нем. solaröl – «солнечное масло», так ещё в 1857 г. называли более тяжёлую нефтяную фракцию, окрашенную в желтоватый цвет. В отличие от бензиновых двигателей с зажиганием топлива искрой, в дизельных двигателях происходит самовоспламенение топлива при его впуске в камеру сгорания, в которую закачан воздух под давлением 1–2 МПа (при наддуве 2–3 МПа), имеющий температуру 500–600 °C. В цилиндрах дизельного двигателя сжимается воздух, а не рабочая смесь, поэтому степень сжатия в них намного выше (в 15–20 раз), чем в бензиновых двигателях. Именно поэтому высокая степень сжатия, необходимая для воспламенения топлива, определяет топливную экономичность дизельного двигателя, которая на 30–40 % выше, чем у карбюраторных двигателей. Удельная теплота сгорания дизельного топлива составляет 42,7 МДж/кг.

Эффективность дизельного двигателя во многом определяется разницей по времени между впуском топлива в камеру сгорания и моментом его самовоспламенения, который наступает не сразу. Чем эта разница меньше, тем более плавно, без динамических нагрузок работает двигатель. Этот фактор, а также температура воздуха при воспламенении, характеризующие склонность топлива к самовоспламенению, зависят от химического состава топлива, определяют его эффективность и выражаются цетановым числом.

Химический и фракционный составы

Основу дизельного топлива составляют три группы углеводородных соединений: алканы (10–40 %), нафтены, производные циклопентана и циклогексана (20–60 %) и ароматические углеводороды (15–30 %). Классы углеводородных соединений тождественны бензину, но их молекулярная масса значительно выше. Если в бензиновых компонентах число атомов углерода в цепи равно С₅ – С₁₂, то в дизельном топливе уже С₁₂ – С₂₀. Например, среди ароматических углеводородов в бензине присутствуют только моноядерные соединения, т. е. производные бензола, а в дизельных топливах основу составляют производные нафталина, биядерные углеводороды. Фракционный состав дизельного топлива определяют путём нагревания 100 мл топлива в специальном приборе (ГОСТ 2177-82). Пары охлаждают и количество продукта фиксируют мерным цилиндром. В процессе разгонки ключевыми точками являются температуры выкипания 50- и 96%-ного количества топлива. Температура выкипания 50 % характеризует пусковые свойства топлива, 96 % – склонность к нагарообразованию и полноту сгорания.

Соединения серы и их влияние на свойства топлив

Помимо углеводородов в составе дизельных топлив нефтяного происхождения присутствуют соединения серы (меркаптаны или тиолы, органические сульфиды и дисульфиды, производные тиофена и тиофана), оказывающие значительное влияние на их свойства. Основное отрицательное действие соединений серы связано с коррозионным износом металлических деталей и конструкций мотора, в первую очередь поршневой системы двигателя. Такое воздействие обусловлено сгоранием соединений серы до диоксида SO₂ и триоксида SO₃, образующих с водяным паром серосодержащие кислоты. Кроме этого, наблюдаются формирование нагара и появление отложений на соседних с продуктами сгорания участках поверхности. Происходит также общее снижение эффективности топливной и выхлопной систем. Немаловажным фактором является также наличие вредных токсичных веществ в составе выхлопных газов. В связи с этим во всём мире постоянно ужесточаются стандарты на содержание серы во всех видах топлива. В 1999 г. в Европе (с 2008 в РФ) введён стандарт на дизельное топливо Евро-3, содержание серы в котором не превышает 350 мг/кг, в 2005 г. в Европе введён стандарт Евро-4 (50 мг/кг), а в 2009 г. (в РФ с 2016) – Евро-5 (10 мг/кг). С другой стороны, уменьшение содержания соединений серы в топливе ниже определённого уровня приводит к повышению износа металлических деталей в парах трения, поскольку серосодержащие компоненты проявляют достаточную противоизносную активность. По этой причине актуально создание и применение специальных противоизносных присадок при использовании дизельных топлив с низким содержанием серы.

Содержание механических примесей и воды

Механические примеси, содержащиеся в дизельном топливе в результате износа и коррозии заводской аппаратуры (перекачивающие средства, топливные системы и др.), а также частицы песка значительным образом снижают надёжность работы топливных агрегатов. Особую опасность представляют частицы размером 6–12 мкм, которые наносят большой вред прецизионным парам топливного насоса и форсунок дизельных двигателей. Пары топливного насоса включают плунжер и гильзу, а также иглу и распылитель, имеющие очень высокую чистоту поверхности и малые величины диаметрального зазора. Механические примеси с соизмеримым с плунжерными парами размером частиц вызывают их быстрое изнашивание, что приводит к увеличению зазоров и снижению давления впрыска. Кроме этого, механические примеси засоряют сопла форсунки и топливные фильтры, повышают смолообразование и увеличивают количество отложений и нагара. В общем применение загрязнённого топлива сокращает срок службы топливных систем в 5–6 раз. Поэтому содержание примесей строго регламентируется, топлива перед использованием отстаивают и фильтруют, для контроля введён такой показатель, как коэффициент фильтруемости k_ф, определяемый на специальном приборе. При этом оценивают степень забивания бумажного фильтра при фильтровании испытуемого топлива, а коэффициент фильтруемости определяют как отношение времени фильтрования последних 2 мл (десятой порции) ко времени фильтрования первых 2 мл топлива. Для товарных дизельных топлив k_ф не должен превышать 3. Наличие воды в дизельном топлива свыше 0,05 % по массе нарушает процесс впрыска топлива ввиду износа направляющей иглы распылителя и нарушения её подвижности. Вода вызывает также образование шлаков, приводя к засорению систем подачи топлива и фильтров, а также затрудняя пуск двигателя. В зимнее время в топливе могут образовываться кристаллы льда, препятствующие его подаче.

Вязкость и плотность дизельных топлив

Эти показатели оказывают влияние на нормальную подачу топлива, его распыливание в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования. Именно вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесеобразования в двигателе, от них зависят форма и строение топливного факела, размеры образующихся капель, дальность струи впрыска топлива и его пусковые свойства. Значения кинематической вязкости для дизельных топлив обычно находятся в пределах от 1,8 до 6,0 мм²/с. Повышенная вязкость приводит к длинной струе с малым углом. Напротив, при малой вязкости топлива уменьшается производительность плунжерной пары, возрастают потери топлива через зазоры. Кроме этого, снижается давление впрыска и по этой причине ухудшается смазка прецизионных пар и возрастает их износ. Ухудшаются также смесеобразование и сгорание топливной смеси, т. к. при распылении образуются очень мелкие капли, и факел распылённого топлива обладает малой дальнобойностью.

Температурные свойства

В число важных показателей качества дизельного топлива входят его температурные характеристики. Температура помутнения определяется как свойство топлива терять свою прозрачность в результате образования кристаллов н-парафиновых углеводородов или выпадения микрокристаллов льда. При этом образующаяся на фильтре тонкой очистки плёнка из парафинов может полностью прекратить подачу топлива, а её бесперебойный процесс обеспечивается при температуре помутнения на 5–10 °C ниже, чем температура окружающего воздуха. Температурой застывания считается температура, при которой топливо теряет подвижность. Это свойство определяют на специальном приборе, который держат под углом 45° в течение 1 мин. В среднем температура застывания на 5–10 °C ниже температуры помутнения. Эффективным способом улучшения низкотемпературных свойств дизельных топлив является их депарафинизация, т. е. частичное или полное удаление н-парафинов, например вымораживанием.

Присадки, повышающие качество дизельных топлив

Цетаноповышающие присадки вводят для корректировки и поддержания цетанового числа, для улучшения воспламеняемости топлива и запуска двигателя в холодное время, для его плавной и бесшумной работы. В качестве таких присадок используют пероксиды и нитраты алифатических и циклических спиртов, например изопропилнитрат, обычно в количестве 0,20–0,25 % по массе. Механизм действия этих присадок связан с их разложением и образованием соединений, способных ускорять процессы цепного воспламенения топлив. Для снижения температуры застывания дизельных топлив используют депрессорные присадки, вводимые, как правило, в небольших концентрациях (0,01–0,5 % по массе). Традиционными депрессорами являются сополимеры олефинов, главным образом этилена с винилацетатом. Механизм действия депрессоров основан на их способности образовывать плёнку на микрокристаллах парафина, препятствуя их дальнейшему росту. Понижение коррозионной активности топлив достигается введением в их состав антикоррозионных присадок (0,0008–0,005 % по массе), в качестве которых широкое распространение получили азотсодержащие соединения – алифатические амины с длинной углеводородной цепью, а также полиамины или полиамиды. Основное свойство этих присадок заключается в их хемосорбции за счёт гетероатома на поверхности металла с образованием прочной плёнки, предотвращающей контакт металла с агрессивными компонентами топлива, в то время как длинный алкильный радикал обеспечивает растворимость присадки. В дизельные топлива добавляют и ряд других присадок (антиокислители, противодымные, биоцидные и т. п.), улучшающие другие свойства топлив в соответствии с их названием.

Ассортимент дизельных топлив

Во многих странах, в особенности с холодным климатом, были приняты стандарты на выпуск и применение различных марок дизельных топлив с учётом условий их применения. В России в 1982 г. был утверждён и введён в действие стандарт (ГОСТ 305-82), согласно которому в стране установлены 4 марки дизельного топлива: летнее (Л), межсезонное (М), зимнее (З) и арктическое (А) (обозначения приняты в 2011). Основные показатели свойств дизельных топлив приведены в таблице.

Характеристики установленных марок дизельного топлива

Примечание. Содержание серы в этих марках ограничено значением 0,2 % по массе.

Ввиду ужесточения экологических требований в Европе в 1996 г. был принят стандарт, предусматривающий производство дизельных топлив для районов с различным климатом, для умеренного климата – 6 марок (A, B, C, D, E, F), для холодного – 5 (0, 1, 2, 3, 4). Содержание серы для всех марок 0,05 % по массе, доля ароматических углеводородов не более 10 % по массе. В соответствии с европейским стандартом в России с 2005 г. (ГОСТ Р 52368–2005) предусмотрен выпуск 6 классов топлив для умеренного климата и 5 классов – для холодного климата. В соответствии с Техническим регламентом Таможенного союза (ТР ТС 013/2011) установлены 4 экологических класса дизельного топлива: К2, К3, К4 и К5. По нормам этих классов массовое содержание серы (мг/кг) должно быть не более 500 (К2); 350 (К3); 50 (К4) и 10 (К5), а массовая доля полиароматических углеводородов (%) не более 11 (К3 и К4) и 8 (К5). С 2011 г. на территории РФ не допускаются выпуск и обращение топлива класса К2, с 2015 г. – К3.

Биодизель

Биодизель, точнее, биодизельное топливо представляет собой синтетический продукт, получаемый по каталитической реакции переэтерификации одноатомными спиртами (обычно метанол, реже – этанол или изопропанол) триглицеридов жирных кислот, в результате которой образуются моноалкильные эфиры этих кислот и глицерин. Источником триглицеридов обычно являются растительные масла или животные жиры. По сравнению с минеральным дизельным топливом биодизель имеет ряд преимуществ: не содержит серы, при попадании на почву или в воду не причиняет вреда животным и растениям, обладает высокой степенью биоразлагаемости, имеет более высокое цетановое число (51) и температуру вспышки (150 °C), что является более безопасным. К недостаткам относится небольшая стабильность при хранении (не более 3 месяцев), необходимость подогрева в холодное время при запуске двигателя и сокращение посевных площадей для использования растительных масел в производстве пищевых продуктов.Образец биодизеля.Образец биодизеля.

Применение дизельных топлив

Дизельные топлива широко используются во многих областях, в первую очередь для грузового и легкового автотранспорта, железнодорожного транспорта (тепловозы), на морских и речных судах, в сельскохозяйственной технике, для электрогенераторов, как котельное топливо. Дизельное топливо используют также при создании буровых растворов для проведения работ по бурению в сложных геологических условиях.