Зачем нужна сепарация

Срок службы топливной аппаратуры зависит от качества дизельного топлива и в немалой степени от его чистоты. Ужесточение требований к уровню вредных выбросов дизельными двигателями привело к существенному усложнению конструкции топливной аппаратуры и, одновременно, повысило требования к качеству дизельного топлива. Несоблюдение технологии очистки топлива при производстве, нарушение условий при перевозке и хранении топлива неизбежно приводят к его загрязнению.

Примеси и их влияние на ресурс топливной системы.

Что касается основных загрязнителей, то они хорошо известны – это органические и неорганические вещества, а также вода. Какое бы чистое топливо не заливали в бак, там обязательно будет некоторое количество грязи и воды. В некачественном топливе могут присутствовать также асфальтиты – тяжелые углеводороды, оставляющие на фильтрующем элементе черные отложения. Помимо вышеперчисленного, в топливе встречаются частицы металлов, краски, песок и т.д. вызывающие ускоренный износ высокоточных элементов топливной системы.

Вода.

Вода в дизтопливе вызывает коррозию топливной системы и образование ржавчины. Зимой вода имеет свойство замерзать с образованием кристаллов льда, которые находятся в топливе во взвешенном состоянии и, попадая на плунжерные пары ТНВД и в форсунки, работают как абразив. Помимо этого, вода является средой жизни для бактерий, способных усваивать углеводороды и продуктом жизнедеятельности которых являются кислоты, разрушающие металлические части топливной системы.

Воду, которая находится в дизтопливе, можно разделить на два вида – свободную и эмульсированную.

Свободная вода, как правило, всегда присутствует в топливном баке. Обычно она попадает туда двумя путями: с топливом во время заправки и в виде конденсата, образующегося при перепаде температур. При росте перепада температур снаружи и внутри топливного бака влага из находящегося там воздуха конденсируется на стенках бака, при этом образующиеся мелкие ее капли частично стекают на дно (свободная вода), а частично, перемешиваясь с топливом, образуют так называемую эмульсированную воду, которая может находиться в топливе достаточно длительное время.

Считается, что капли размером более 260 мкм сразу опускаются на дно, капли размером 180…260 мкм оседают через достаточно непродолжительный промежуток времени, а капли диаметром 5…180 мкм, собственно, и представляют собой эмульсифированную воду, которая может находиться в топливе во взвешенном состоянии очень долго.

При высоком давлении впрыска вода, находящаяся в топливе, вызывает квитанционные процессы, приводящие к активной эрозии металла. Следствием этого является ускоренный износ калиброванных распылителей форсунок, а это в свою очередь приводит к росту расхода топлива и соответственно ухудшению экономических и экологических характеристик двигателя.

Особенно негативно наличие воды в топливе стало проявляться при переходе на более высокие экологические стандарты. Чем более совершенна топливная аппаратура, тем больше ущерб, причиняемый водой. Зависимость здесь прямо пропорциональная, ведь для лучшего распыления топлива на современных автомобилях пришлось повысить точность и давление впрыска, а износ сопел распылителей, вызываемый находящейся в топливе водой, находится в квадратичной зависимости от давления впрыска. Так, если давление топлива в районе плунжерной пары в двигателях стандарта Euro 2 в среднем составляло 1200 атм, то в двигателях стандарта Euro 3 оно возросло до 1500 атм, а стандарта Euro 4 – уже до 1800…2000 атм.

Поэтому при использовании топлива с одинаковым содержанием воды форсунки на двигателе Euro 3 прослужат в полтора раза меньше, чем на двигателе Euro 2, а на двигателе Euro 4 почти втрое меньше.

Особенно тяжело бороться с водой в топливных системах оборудованных подкачивающими насосами винтового типа, являющиеся частью конструкции топливозаборника и которые преобразуют свободную воду в эмульсированную.

Кристаллизованный парафин.

Следует отдельно упомянуть низкотемпературные (зимние) сорта дизельного топлива. Обязательной составляющей дизельного топлива является парафин, присутствие которого обязательно, так как он выполняет функцию смазки трущихся частей топливной аппаратуры. Однако парафин имеет неприятное свойство кристаллизовываться при температурах от -70С и ниже, что приводит к засорению фильтрующего элемента парафинами и прекращению протока топлива с остановкой двигателя. Для того, чтобы понизить температуру эксплуатации дизельного двигателя, предлагаются зимние сорта топлива с искусственно уменьшенным содержанием парафина, а иногда и совсем незначительным (арктические сорта). Хотя использование таких сортов топлива и обеспечивает работу дизельного двигателя при значительно более низких температурах окружающей среды (до -230С для некоторых сортов), но имеется и отрицательный эффект – ускоренный износ ТНВД и насос-форсунок из-за недостатка смазки. А если к этому добавить присутствие в топливе кристаллов замерзшей воды и частиц металлов, то суммарный эффект – разрушителен.

Таким образом, единственной возможностью избежать ускоренного износа топливной аппаратуры и сопутствующих финансовых, временных и моральных затрат является качественная очистка дизельного топлива от примесей непосредственно перед попаданием топлива в топливный насос. Для тех же, кто использует дизельную технику в условиях отрицательных температур окружающей среды, предпочтительным будет использование обычных сортов топлива с подогревом его до попадания в зону фильтрующего элемента.

Виды сепарации.

  • гравитационная сепарация - это отделение частиц большего веса за счет воздействия гравитационных сил земного притяжения. Используется при длительном отстое топлива;
  • центробежная сепарация - позволяет увеличить частоту столкновения капель воды с их дальнейшей коалесценцией (слиянием) за счет сил - возникающих при вращательном движении. Эффективность применения центробежной сепарации зависит от скорости протока топлива и от его вязкости. Чем выше вязкость, тем больше должна быть центробежная сила, которая, в свою очередь, зависит от линейной скорости движения топлива и радиуса вращения. Увеличение линейной скорости и уменьшение радиуса вращения увеличивает центробежные силы - возникающие в сепараторе.
  • турбулентная сепарация – позволяет увеличить частоту столкновения капель воды в топливе после омывания топливо-водной эмульсией разнообразных устройств, вызывающих завихрение эмульсии. Более тяжелые частицы воды склонны оставаться в зоне завихрения, сталкиваются между собой и осаждаются на поверхности завихрителя.
  • тепловая сепарация - это тепловое расслоение за счет разной теплоемкости топлива и воды.
  • фильтрация – осаждение капель воды на поверхностях разнообразных пористых материалов – бумаги, сеток и т.д.

Необходимо учитывать, что если отделение крупных капель воды (от 300 мкм и более) не представляет особой сложности, то разделение компонентов эмульсии представляет собой значительно более сложную задачу и заставляет использовать весь спектр методов. Также необходимо понимать, что процесс превращения эмульсии в свободную воду происходит исключительно в покое, т.е. в отстойнике, при отсутствии какого либо возмущения смеси. Это связано со значительной прочностью капсулы капли воды окруженной топливом. Таким образом, задачей сепарации является создание условий, при которых частицы воды, движущиеся вместе с потоком, будут сталкиваться между собой и «склеиваться», образуя т.н. агрегаты, состоящие из нескольких капель.

Следует отметить, что в сепараторах могут одновременно применяться разные принципы водоотделения – такие сепараторы называют двухфазными, трехфазными и т.д.

Процесс водоотделения в фильтре-сепараторе ТФС-3000