Випаровування 1 згоряння дизельних палив

Випаровування дизельних палив впливає на повноту згоряння, економічність його використання, пуск і роботу двигуна, нагаро- і лакоугво-рення, спрацьованість двигуна, склад відпрацьованих газів, витрати масла.

Паливо подається під тиском у камеру згоряння через форсунку і перемішується з повітрям. Згоряння палива відбувається в газоподібному стані. Випаровування палива оцінюється фракційним складом. При визначенні фракційного складу дизельного палива фіксують температуру початку кипіння, википання 50 і 90 %, температуру кінця кипіння (96 %), вимірюють залишок, після перегонки і підраховують збитки. На пуск двигуна фракційний склад, зокрема температура википання 50 % палива, впливає більше, ніж цетанове число. При пуску двигуна утворюються найменш сприятливі умови для сумішоутворення і згоряння внаслідок недостатньо високої темпе­ратури в камері згоряння. Чим більше Б паливі легко-киплячих фракцій, тим швидше і повніше вони випаровуються. Теплоємність дизельних палив різного хімічного складу відрізняється незначно. Тому час нагрівання і випаровування крапель палива залежить від їхнього розміру. Чим легше паливо, тим менший діаметр утворюваних крапель, тим більша площа випаровування їх. Чим нижча температура википання 50 % палива, тим легше запустити двигун, особливо, при низьких температурах повітря. Так, час для прокручування колінчастого вала до пуску двигуна на паливі з цетановим числом 47,5 і температурою википання 50% палива, що становить 225 °С, майже в 9 разів менший порівняно з часом, необхідним для пуску двигуна на паливі з цетановим числом 52, але більш високою температурою википання 50% палива, що становить 285 °С. Але це не значить, що для поліпшення випаровування і полегшення пуску двигуна можна застосовувати дуже легкі палива типу бензину. Полегшення фракційного складу, тобто поліпшення випаровування, посилюється іншим фактором - збільшенням періоду затримки самозаймання. Для зменшення вмісту легких фракцій у дизельних паливах фракційний склад обмежують температурою початку кипіння.

Щоб полегшити пуск двигуна та зменшити витрати палива, використовують розігрів двигуна, спеціальні пускові рідини, наприклад пускову рідину „Холод-40” (див. табл. 8), яка містить 58-62 % ефіру, 13-17% газового бензину і 8-12% мало-в'язкого масла, забезпечує пуск холодного двигуна при температурі повітря до - 40 °С. Подають пускову рідину у впускну трубу дизеля в момент обертання колінчастого вала спеціальним пристроєм. Використовувати чистий ефір для полегшення пуску двигуна неприпустимо, тому що ефір змиває змащувальну плівку з поверхні ЦПГ, може створити умови для сухого тертя.

Паливо важкого фракційного складу з високою температурою википання 90 % і кінця кипіння не встигає повністю випаруватись, отже, і згоріти. Неповнота згоряння веде до перевитрат палива, збільшення димності і токсичності відпрацьованих газів, недобору потужності, підвищення нагаро- і лакоутворєння. При неповному використанні кожних 10 % потужності двигуна витрати палива збільшуються на 4-5 %. Незгоріле паливо частково підлягає крекінгу і полімеризації, утворюючи тверді коксові осади, які спричинюють механічне спрацювання деталей двигуна. Частина палива в рідкому стані стікає по стінках циліндра в масляний картер, змиваючи змащувальний шар і підвищуючи спрацювання двигуна. Економічність і моторесурс двигуна зменшуються. Тому надмірне обважніння палива, як і полегшення, небажане. Основна частина палива повинна википати при температурі 250-330 °С.

Важлива властивість дизельного палива - його можливість забезпечувати чистоту двигуна і паливної апаратури. Ця властивість значною мірою залежить від хімічного і фракційного складу палива. При згорянні палива спостерігається нагароутворення на стінках камери згоряння і впускних клапанах, а також має місце утворення відкладень на розпилювачах та голках розпилювачів форсунок, на штоках випускних клапанів, поршнях, у канавках поршневих кілець, камері згоряння тощо. На стінках камери згоряння, днищі поршня і впускних клапанах утворюється твердий нагар темного кольору, а на розпилювачах та голках розпилювачів форсунок нагар м'який, смолистого характеру, жовтуватого кольору, іноді - у вигляді лакової світло-коричневої плівки. Відкладення нагарів на стінках камери згоряння погіршує відведення теплоти в систему охолодження двигуна Відкладення нагару на впускних клапанах сприяє їхньому закоксовуванню, в результаті чого зникає герметичність посадки клапана на сідло. Відбувається витікання розжарених газів і обгоряння посадочних поверхонь клапана і сідла, в окремих випадках можливе зависання клапану. Утворення нагарів, наприклад, на продувних вікнах двотактного дизеля погіршує умови продування циліндру.

Найбільші ускладнення в роботі дизельних двигунів пов'язані з відкладеннями на форсунках. Нагар, який утворюється на розпилювачах, сприяє погіршенню якості розпилювання палива і скривленню факела. При погіршенні розпилювання палива порушується сумішоутворення, відбувається неповне згоряння, що врешті-решт, веде до димлення дизеля, втрат потужності і перевитрат палива. Випадіння смолистих відкладень на голках розпилювачів сприяє їхньому зависанню. Закоксованість сопел і зависання голок розпилювачів супроводжується підтіканням палива, тому що в цьому випадку голка не сідає на ущільнюючий конус розпилювача і не перекриває його канал. При підтіканні палива падає потужність і економічність дизеля і збільшується його димлення.

Нагароутворення в двигуні залежить, у першу чергу, від наявності асфальтосмолистих речовин, вміст яких побічно можна характери­зувати кількістю залишку в колбі після перегонки палива при визна­ченні фракційного складу на спеціальному апараті. Зі збільшенням вмісту смол у паливі підвищується здатність до нагароутворення на деталях двигуна. Утворення нагару та лаку залежить також від наявності сірчаних сполук, ароматичних вуглеводнів у паливі, від конструктивних особливостей двигуна, його технічного стану, режиму роботи, якості моторного масла тощо. Підвищення вмісту сірки в паливі при його згорянні сприяє збільшенню нагарів і лаків, причому щільність нагару значно підвищується. Найбільший вплив на нагароутворення мають із сірчаних сполук меркаптани, які приско­рюють процеси окислення, полімеризації нестабільних сполук дизель­ного палива і сприяють їх випаданню і відкладенню на деталях двигу­на. Наприклад, при вмісті сірчаних сполук у паливі 0,06 % на кільцях і в поршневих канавках утворюється 2,1 г відкладень після 80 год роботи дизеля. При підвищенні вмісту сірчаних сполук до 0,85 % кількість відкладень збільшується до 5,8 г.

Сірчані сполуки разом із органічними кислотами викликають корозію деталей двигуна і інші несправності. Основна маса дизельних палиа виробляється з сірчаних нафт. При перегонці одержують дистиляти з вмістом сірки до 1,3 %. Дистиляти підлягають складному процесу каталітичного виділення сірчаних сполук з палива, який дозволяє знизити вміст сірки до 0,2-0,5 %. Встановлено, що загальне спрацювання деталей двигуна майже прямо пропорційна вмісту сірки в дизельному паливі. Наприклад, при підвищенні вмісту сірки з 0,2 % до 0,6 % спрацювання гільз циліндрів і поршневих кілець підвищується приблизно на 15 %, а при збільшенні вмісту сірки до 1 % спрацювання цих деталей збільшується в 1,5 рази. Основним об'єктом корозійного спрацювання продуктами згоряння сірчаних сполук є ЦПГ, органічними кислотами - плунжерні пари. Підвищення Кислотності палив веде до корозійного спрацювання плунжерних пар паливного насоса високого тиску, зростання відкладень і погіршення потужно-економічних показників двигуна. Наприклад, підвищення кислотності палива з 4 мг КОН/100 мл палива до 50 мг КОН/100 мл "палива збільшує спрацювання плунжерів в 1,5 рази, знижує потужність двигуна більш як в 4,5 рази.

Продукти згоряння палива, які містять сірчаний і сірчистий ангідиди, проникають через нещільності циліндропоршневої групи в картер. Тут вони утворюють сірчану і сірчисту кислоти. Змішуючись з маслом, кислоти погіршують його якості. Для боротьби з корозією в моторні масла (іноді - в палива) добавляють присадки.

Однією з переваг дизелів порівняно з бензиновими двигунами вважається менша токсичність відпрацьованих газів за рахунок повнішого згоряння палива (табл. 6).

Таблиця 6 - Склад відпрацьованих газів двигунів

Компоненти	Вміст, % (за об'ємом), у відпрацьованих газах двигунів		Примітка
	бензинового	дизельного
Оксиди:
вуглецю	1-10	0,02-0,5	Токсичні
азоту	0-0,8	0.001-0,4	''
сірки	0,008	0,08	''
Альдегіди (акролеїн)	0,02	0-0,009	''
Вуглеводні	0,2-3,0	0,01-0,5	"
Сірчаний газ	0,2-0,002	0-0,03	Токсичний
Сажа, г/м3	0,05.	0,01-1,5	Канцерогенна
Бенз--пірен, мг/м3	До 0,02	До 0,01	Високотоксичний

Слід зазначити, що це положення може бути віднесене до технічно справних двигунів, при використанні кондиційних і відповідних даному двигуну палив і масел. Склад відпрацьованих газів не залишається постійним. На повноту згоряння палива, вміст токсичних сполук впливають режим роботи двигуна, його технічний стан, оптимальність регулювань, якість палива і масла, майстерність водія, експлуатаційні фактори (дорога, температура повітря тощо). При пуску і прогріванні двигуна у відпрацьованих газах міститься значна кількість акролеїну (до 0,13-0,15 %), який має підвищену токсичність. Допустима концентрація акролеїну у виробничих приміщеннях - 0,0007 мг/л. На це треба звертати особливу увагу при розрахунках вентиляції у закритих приміщеннях при експлуатації рухомого транспорту з дизелями, їх ремонті, обслуговуванні тощо. Неповнота згоряння палива, поява великої кількості сажі у відпрацьованих газах не тільки призводять до забруднення атмосфери, але й погіршують видимість на дорогах, що сприяє виникненню аварійних ситуацій. При роботі з несправного системою живлення дизелів масовий вміст сажі у відпрацьованих газах може зрости до 70-90 %. Сажа, потрапляючи з повітрям в органи людини, адсорбує з повітря токсичні сполуки, веде до збільшення онкологічних захворювань органів дихання людей. До високотоксичних речовин у відпрацьованих газах дизелів належить бенз--пірен, вміст якого різко збільшується у випадках неповного згоряння палива (наявність „хвоста" за дизелем). Бенз--пірен також спричинює онкологічні захворювання.

У зв'язку з тим що в дизельних двигунах немає примусового запалення робочої суміші, суттєву роль в оцінці якості дизельного палива відіграє температура самозаймання, тобто та нижча температура нагрівання палива, при якій воно загорнеться без стороннього джерела вогню. Для займання палива без примусового запалювання необхідно, щоб температура, при якій самозаймається розпилене паливо, була нижчою від температури, яка розвивається при стисненні повітря в циліндрі двигуна. Паливо, яке має високу температуру самозаймання, не може використовуватись для дизелів. Чим важче паливо, тим нижча температура його самозаймання (табл. 7). Вона залежить від фракційного і хімічного складу. На займання палив великий вплив мають ступінь стиску, конструкція камери стиску, тиск розпилювання, матеріал поршня, тепловий режим двигуна та інші фактори.

Таблиця 7 - Температура самозаймання перів палив у потоці гарячого повітря*

Паливо	Границі википання, °С	Температура самозаймання, °С
Бензин	35-205	425
Гас	200-300	420
Газойль	230-360	400

*Тиск повітря - 0,3 МПа.

Паливо, що надходить у циліндри двигуна, спалахує не відразу, минає деякий час, протягом якого паливо переміщується з повітрям, випаровується, нагрівається до температури спалаху, а тоді вже починає горіти. Цей час називається періодом затримки самозаймання. Йому передує ряд фізичних і хімічних процесів. Паливо розпилюється в стиснутому повітрі, його краплі підігріваються до високої темпера тури і випаровуються. Під впливом високої температури і кисню повітря відбуваються передполуменеві реакції багатостадійного окислення вуглеводнів, які входять до складу палива. 8 горючій суміші накопичуються кисневмісні нестійкі сполуки, які потім починають роз­кладатись із виділенням частини теплової енергії (10-15 %) і кисню, тим самим провокуючи окислення інших молекул вуглеводнів. Хо-лоднополуменеве окислення призводить до підвищення температури робочої суміші і появи безлічі осередків займання. В цю Мить з'являється голубе світіння, яка називається холодним полум'ям. У результаті підвищення температури робочої суміші прискорюються хімічні реакції і виникає її самозаймання, тобто поява гарячого полум'я. Таким чином відбувається двостадійне самозаймання палив, яке має місце в більшості випадків у дизельних двигунах, і при цьому період затримки самозаймання складається з періоду затримки хо­лодного полум'я і другого періоду затримки. Крім того, загальний період затримки можна поділити на час, який затрачається на проход­ження фізичних процесів (розпилювання палива, випаровування, змішування парів з повітрям) і час, необхідний для хімічних реакцій (передполуменеві реакції і формування осередків самозаймання). v момент, коли починається горіння палива, більша частина палива, яке надійшло на той момент, встигає випаруватись і процес горіння охоплює есе нові порції пализоловітряної суміші. Паливо продовжує подаватись форсункою в камеру згоряння, воно інтенсивно перемі­шується з повітрям, випаровується і швидко згоряє. Подане паливо в основному запалюється за рахунок змішування з гарячими продук­тами згоряння палива, що потрапило я циліндр у період затримки самозаймання. В результаті швидкого згоряння палива тиск у цилінд­рі значно підвищується. В цей період виділяється основна кількість теплової енергії циклічної подачі палива (до 70 %), подача палива форсункою продовжується, тиск підвищується і досягає максимального значення в циліндрі. 8 кінці швидкого згоряння темп нарощування тиску падає, швидкість згоряння знижується, починається період сповільненого згоряння, тиск змінюється незначно. В цей період припиняється подача палива, але процес згоряння продовжується і росте температура газів, виділяється близько 20 % теплової енергії палива. Зниження тиску в кінці періоду пояснюється збільшенням об'єму камери згоряння в зв'язку з рухом поршня до н. м. т. Кінець періоду сповільненого згоряння умовно приймається тоді, коли досягається максимальна температура газів у камері згоряння. Після цього догоряють залишки незгорілого палива і продукти неповного згоряння. Чим важче паливо, вища його в'язкість та густина, тим більш тривалий період догоряння. Фаза догоряння може охоплювати до 70° кута повороту колінчастого вала після в. м.т.; процес догоряння, власне, впливає на димність і токсичність відпрацьованих газів.

При великій затримці самозаймання (великому значенні періоду затримки самозаймання) паливоповітряної суміші в циліндрі дизеля накопичиться і зразу згорить велика частина палива. Це веде до різкого наростання тиску на кожний градус повороту колінчастого вала, буде мати місце так звана жорстка робота двигуна. Зовнішні ознаки жорсткої роботи двигуна ідентичні детонаційному згорянню бензину в карбюраторних двигунах; прослуховується характерний металевий стук за рахунок ударної хвилі на поршень двигуна. Стуки в дизелі супроводжуються вібрацією та перегріванням поршня і головок циліндра. Хоч зовнішні ознаки детонації в карбюраторному двигуні і жорстка робота дизеля ідентичні, причини їх різні. Всі ті фактори, що викликають або підсилюють детонацію в карбюраторних двигунах, ліквідують або зменшують жорстку роботу дизеля. Під час жорсткої роботи двигуна спостерігається підвищене спрацювання корінних підшипників колінчастого вала, особливо вкладишів, за рахунок удар­ної хвилі на них; пригоряють, деформуються, а іноді й ламаються, поршневі кільця; збільшується прорив газів у масляний картер, підвищуються витрати палива і масла, а також димність і токсичність відпрацьованих газів. Жорстка робота двигунів різної конструкції спостерігається під час різної інтенсивності наростання тиску. М'яка робота двигуна забезпечується підвищенням тиску на 0,25-0,5 МПа, а жорстка робота - на 0,6-0,9 МПа на кожний градус повороту колінчастого вала. При більшому наростанні тиску робота двигуна буде дуже жорсткою. Робота дизелів узимку більш жорстка, ніж улітку, внаслідок низьких температур повітря, що надходить.

Властивості палива, його хімічний та фракційний склад найбільше впливають на період затримки самозаймання. У табл. 8 наведено температури самозаймання вуглеводнів. Найнижчі температури самозаймання мають н-парафінові вуглеводні, чим вища їх молекулярна маса, тим нижча температура самозаймання.

Для визначення самозаймання палив введено поняття цетанового числа, яке вказує на швидкість підвищення тиску при згорянні рідкого нафтового палива в поршневих двигунах із займанням паливо-повітряної суміші від стиску, яке виражається в одиницях еталонної шкали. Як еталонні палива вибрані н-парафіновий вуглеводень - н-цетан (н-гексадекан) і ароматичний вуглеводень - -метилнафталін. Цетан має дуже малий перехід затримки самозаймання, його цетанове число умовно прийнято за 100. -Метилнафталін має великий період затримки самозаймання, і його цетанове число умовно прийнято за 0. Суміш н-цетану і -метилнафталіну в різних співвідношеннях має неоднакове самозаймання. Цетанове число дизельного палива визначають таким чином: запускають двигун на досліджуваному палив! і зміною ступеня стиску досягають умов, щоб самозаймання палива почалося точно у в.м.т., тобто період затримки самозаймання дорівнював 13°; далі підбирають таку суміш н-цетану і -метилнафталіну, яка б при тому ж ступені стиску також займалася у в.м.т., тобто мала такий же період затримки займання (13°), як і досліджуване паливо. Цетановим числом називається процентний (об'ємний) вміст н-цетану в суміші з я-мєтилнафталіном, яка за самозайманням аналогічна досліджуваному паливу. Наприклад, якщо досліджуване дизельне паливо має цетанове число 45, це значить, що за самозайманням воно еквівалентне штучній суміші еталонних палив, яка містить 45 % н-цетану і 55 % -метилнафталіну.

Цетанове число дизельного палива залежить від його хімічного складу, здатності до окислення. Найшвидше окислюються і розпадаються н-парафінові вуглеводні, в результаті чого утворюються пероксиди та інші легкозаймисті сполуки. Нормальні парафінові вуглеводні мають найвищі цетанові числа (табл. 9). Ароматичні вуглеводні самозаймаються при високих температурах і мають найнижчі цетанові числа. Тому збільшення вмісту ароматичних вуглеводнів у дизельному паливі веде до погіршення його самозаймання, тобто до зниження цетанового числа. Для підвищення цетанового числа дизельних палив можна використовувати різні присадки - нітрати, перрксиди, наприклад ізопропілнітрат. Одночасно з підвищенням цетановоі-о числа присадки поліпшують пускові властивості палива.

Таблиця 8 - Температура самозаймання вуглеводнів

Вуглеводень	Клас вуглеводню	Формула	Температура самозаймання, °С
н-Гексан	н-Парафіновий	С6Н14	500
н-Цетан		С15Н34	235
Гексен	Ненасичений (олефіновий)	С6Н12	540
Циклогексан	Нафтеновий	С6Н12	520
Бензол*	Ароматичний	С6Н6	720
Метилнафталін	-“-	С11Н10	565,6

Таблиця 9 - Цетанові числа вуглеводнів

Вуглеводень	Клас вуглеводню	Цетанове число
н-Гексан н-Декаи	н-Парафіновий	48
н-Додекан	-“-	76,9
н-Гексадекан (н-цетан)	-“-	100,0
І-Гексадецен	Ненасичений (олефіновий)	84,2
Метилциклогексан	Нафтеновий	20,0
Дециклогексан	-“-	47,4
Толуол	Ароматичний	-5,0
н-Гексинбензол	-“-	27,0
-Метилнафталін	-“-	0,0

Чим нижче цетанове число, тим жорсткіша робота двигуна. Значення цетанового числа впливає й на інші показники роботи двигуна: його пуск, максимальний тиск згоряння, питомі витрати палива, температуру вихлопу, відкладення в двигуні, димність і токсичність відпрацьованих газів. Із підвищенням цетанового числа палива полегшується пуск двигуна і збільшується максимальний тиск згоряння, останні показники знижуються, робота двигуна поліпшується. Наприклад, якщо цетанове число палива дорівнює 35, дизель пускається легко при температурі повітря +35 °С і вище, тоді як цетанове число палив становить 50, двигун легко пускається при температурі повітря +4 °С. На паливі з цетановим числом 53 дизель запускається протягом 3 с, а на паливі з цетановим числом 36 - за 45...50 с (при відповідній температурі оточуючого повітря).

Для сучасних автотракторних дизельних двигунів, дизелів дорожно-будівельної техніки тощо треба користуватись паливами з цетановими числами 45-50, що забезпечують м'яку роботу двигуна. При цетановому числі палива 40 і нижче дизелі працюють жорстко, підвищуються спрацьованість деталей двигуна, витрати палива, токсичність і димність відпрацьованих газів. Однак підвищення цетанових чисел палива більше 50 не впливає суттєво на поліпшення роботи дизеля, а питомі витрати палива збільшуються. Це пояснюється тим, що при високих цетанових числах період затримки самозапалювання дуже малий і згоряння відбувається біля розпилювача форсунки. Повітря, що знаходиться в віддалених від форсунки місцях, не бере участі в процесі згоряння. Тому має місце неповне згоряння палива, що веде не тільки до його перевитрат, але й до підвищення токсичності та димності відпрацьованих газів, до перевитрат масла. Підвищення цетанового числа дизельного палива веде до Його подорожчання.