Лекція 7 випаровування і згоряння дизельних палив

Випаровування дизельних палив впливає на повноту згоряння, економічність двигуна, його пуск і роботу, нагаро-, лакоутворення, зношування двигуна, склад відпрацьованих газів, витрати палива і оливи. Випаровування палива починається відразу після його впорскування в камеру згоряння і продовжується до згоряння останньої кількості палива. Краплі палива, що попадають у гаряче повітря, самозапалюються не відразу, а через певний відрізок часу. Паливо впорскується і після самозапалювання. За рахунок теплоти, яка виділяється при згорянні першої частини палива, процес нагрівання і випаровування крапель палива, що продовжують надходити до камери згоряння, сильно прискорюється. Поява продуктів згоряння утруднює сумішоутворення, перешкоджає надходженню кисню до нових порцій палива, сприяє неоднорідності паливоповітряної суміші Останнє є причиною підвищення димності відпрацьованих газів при невеликому коефіцієнті надлишку повітря, появи сажі у відпрацьованих газах. Випаровування і згоряння палива залежить від конструкційних особливостей двигуна та якості палива.

Показники якості дизельного палива, що впливають на його випаровування та згоряння: в'язкість, густина, тиск насиченої пари, поверхневий натяг, теплота пароутворення, теплоємність. Густина дизельних палив впливає на сумішоутворення і випаровування так само, як і в’язкість (див. 3.2.). Значення внутрішньої теплоти пароутворення впливає на роботу дизеля під час його пуску. Такі показники як теплоємність, теплота випаровування на роботу дизеля впливають незначно (менше порівняно з бензиновим двигуном).

Випаровування палива оцінюється фракційним складом. При визначенні фракційного складу дизельних палив фіксують температуру кипіння 50% і температуру кінця кипіння (кипіння 96%). Значення температур кипіння дизельного палива і бензину дещо відрізняються з точки зору оцінки їх експлуатаційної характеристики.

Пуск двигуна характеризується температурою кипіння 50% палива, її значення має більший вплив порівняно з цетановим числом, значення якого також впливає на легкість пуску дизеля. При пуску дизеля утворюються найменш сприятливі умови для сумішоутворення і згоряння внаслідок недостатньої температури у камері згоряння. Чим більше у паливі легкокиплячих фракцій, тим швидше і повніше вони випаровуються. Теплоємність дизельних палив різного хімічного складу відрізняється незначно, а час нагрівання і випаровування крапель палива залежить від їх розміру. Чим легше паливо, тим меншого діаметра утворюються краплі, тим більша площа їх випаровування. Тому, чим нижче температура кипіння 50% палива, тим легше запустити дизель, особливо при низьких температурах повітря. Так, час для прокручування колінчастого вала до пуску двигуна взимку на паливі, що має цетанове число 47,5 і температуру кипіння 50% палива 225⁰С, майже в 9 разів менший порівняно з часом, необхідним для пуску двигуна на паливі, що має цетанове число 52, але більш високу температурою кипіння 50% палива - 285⁰С. Полегшення фракційного складу, тобто поліпшення випаровування, посилюється іншим фактором - збільшенням періоду затримки самозаймання, погіршенням мастильних властивостей.

Щоб полегшити пуск двигуна та зменшити витрати палива, проводять розігрів двигуна взимку, використовують пускові рідини. Використання чистого ефіру для полегшення пуску дизеля неприпустимо, тому що ефір змиває змащувальну плівку з поверхні ЦПГ, може створити умови для сухого тертя. Пускові рідини містять ефір, мастильний, антикорозійний та інші компоненти.

Паливо важкого фракційного складу з високою температурою кипіння 96% (кінця кипіння) не встигає повністю випаруватись, отже, і згоріти. Неповнота згоряння веде до перевитрат палива, збільшення димності і токсичності відпрацьованих газів, втрати потужності (бо викидається частина палива, що не догоріло), підвищення нагаро- і лакоутворення.

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 можливе нагароутворення на стінках камери згоряння і на клапанах, а також має місце утворення відкладень на розпилювачах та голках розпилювачів форсунок, на штоках випускних клапанів, поршнях, у канавках поршневих кілець, камері згоряння.

Найбільші ускладнення в роботі дизелів 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, втрати потужності і перевитрат палива.

Нагароутворення у двигуні залежить, у першу чергу, від наявності асфальто-смолистих речовин, вміст яких характеризується кількістю фактичних смол, а побічно можна характеризувати кількістю залишку у колбі після перегонки палива при визначенні фракційного складу. Із збільшенням вмісту смол у паливі підвищується здатність до нагароутворення на деталях двигуна.

Утворення нагару та лаку залежить також від наявності ароматичних вуглеводнів і сірчаних сполук. Підвищення вмісту сірки у паливі при його згорянні підвищує щільність нагарів. Нагаро-, лакоутворення залежить також від конструктивних особливостей двигуна, його технічного стану, режиму роботи, якості моторної оливи тощо.

Органічні кислоти, вміст яких в дизельних паливах допускається в більших кількостях порівняно з вмістом органічних кислот у бензині, та сірчані сполуки викликають, передусім, корозію деталей двигуна та інші несправності. Велика маса дизельних палив виробляється із сірчистих нафт. При переробці нафти вміст сірчаних сполук збільшується з підвищенням температур кипіння окремих фракцій: найменше їх у бензині, до 95% сірки припадає на газойль (компонент дизельного палива) та мазут.

Чуттєвість двигунів різної конструкції до корозії сірчаними сполуками залежить від їх теплового режиму. Так, при підвищеному тепловому режимі спостерігається газова корозія оксидами сірки, які утворюються при згорянні палива, тарілок випускних клапанів, верхньої частини циліндрів, верхнього компресійного кільця.

При зниженні теплового режиму оксиди сірки розчиняються у воді (яка утворюється при згорянні палива і конденсується на холодних деталях двигуна) і відбувається рідинна корозія кислотами. В мало навантажених двигунах виникають умови для рідинної корозії більше порівняно з корозією в двигунах з високим навантаженням. Тракторні дизелі, наприклад, більш схильні до газової корозії, автомобільні (особливо ті, що працюють в міських умовах) – до рідинної. При рідинній корозії руйнуються вкладиші підшипників. Чим більший прорив газів в оливний картер та вміст сірки в паливі, тим більше зношування від рідинної корозії.

Основними об'єктами корозійного зношування продуктами згоряння сірчаних сполук є ЦПГ, органічними кислотами - плунжерні пари. Підвищення кислотності палив викликає корозійне зношування плунжерних пар паливного насосу високого тиску, збільшення відкладень на деталях паливної системи і двигуна, погіршення потужньо-економічних показників двигуна. Зношування паливної апаратури залежить від підвищеної кислотності палива більше порівняно з її зношенням при використанні палива низької в'язкості.

Однією з переваг дизелів у порівняні з бензиновими двигунами вважається менша токсичність відпрацьованих газів за рахунок повнішого згоряння палива (табл.). Слід зазначити, що це положення може бути віднесене до технічно-справних двигунів, при використанні кондиційних і відповідних даному двигуну палив і олив. 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 моторної оливи, майстерність водія, експлуатаційні фактори (стан шляхів, температура повітря тощо). При пуску і прогріванні дизеля у відпрацьованих газах міститься значна кількість акролеїну (до 0,15%), який має підвищену токсичність. Допустима концентрація акролеїну у виробничих приміщеннях - до 0,0007 мг/дм³.

Поява значної кількості сажі у відпрацьованих газах внаслідок неповноти згоряння призводить не тільки до забруднення атмосфери, але й погіршує видимість на дорогах, що може спричинити аварійну ситуацію. При роботі з несправною системою живлення дизелів масовий вміст сажі у відпрацьованих газах може зрости до 70...90% ваг. Сажа, потрапляючи з повітрям в органи людини, адсорбує з повітря токсичні сполуки, веде до

Таблиця. Склад відпрацьованих газів бензинових двигунів та дизелів

Компоненти*	Вміст у відпрацьованих газах, %, двигунів		Примітка
	бензиновий	дизель
Оксид вуглецю Оксиди азоту Оксиди сірки Альдегіди (акролеїн) Вуглеводні Сірчаний газ Сажа, г/м3 Бенз--пирен, мг/м3	1-10 0,0-0,8 0,008 0,02 0,2-3,0 0,002-0,2 0,0-0,005 до 0,02	0,02-0,5 0,001-0,4 0,08 0,00-0,009 0,01-0,5 0,0-0,03 0,01-1,5 до 0,01	Токсичний Токсичні Токсичні Токсичні Токсичні Токсичний Канцероген Токсичний